引力是如何逃脱黑洞的呢?

2016-10-11来源 : 互联网

没有什么能超过光速,而黑洞能陷住包括光在内的一切东西。那么,引力是如何逃脱黑洞的呢?这个问题很有趣,这能让大多数人真正理解引力。答案是,引力的作用方式并不是一般人所想的那样。

对于引力*直观的认识无外乎这是两个物体之间的作用力。例如,地球对月球施加引力,而月球对地球亦是如此。牛顿在发现万有引力定律时,就使用了这种引力的“力学模型”。直到1900年代早期,这才被确定为引力理论,至今我们仍在使用。但在构造这个引力模型时,使用了一些假设。

当时,认为引力作用的速度是无限的这个观点并不被视为一个问题。事实上,它是用作一种论据来反驳当时所提出的替代引力观点。但在1900年代早期,爱因斯坦提出了狭义相对论,指出没有什么能超过光速。如果是这样的话,那么我们的引力理论就会出问题了。到了1915年,爱因斯坦提出了一种新的引力理论,这就是广义相对论,它同时能满足牛顿的引力模型和狭义相对论。

今年年初,LIGO已经成功探测到引力波

根据理论,当两个大质量天体(如中子星)互相环绕时,它们就会产生引力波,并向外辐射出来。这些引力波将会以光速传播。而在今年年初已经成功地探测到了引力波的存在。

但如果引力以光速传播,这是否意味着天体的轨道肯定不稳定?事实上,并不是的。当拉普拉斯研究有限速度的引力时,他只考虑引力速度的影响。但在狭义相对论和广义相对论中,有限的光速会导致其他影响,如由于相对运动产生的时间膨胀效应以及质量的明显改变。在数学上,这些效应是源自庞加莱不变性的性质。由于这种不变性,引力的时间延迟和时间与质量的速度依赖效应相互抵消,这样有效的质量就会吸引有质量的地方。这种抵消效应意味着,对于轨道运动而言,引力就好像是瞬时作用的。

但是等一下,既然引力场有一个有限的速度,那怎么又能产生瞬时作用呢?实际上,引力场并不能这样。但在广义相对论中,引力不是一种能量场。

早在牛顿之前,一般都会假定在特定的时间下,物质和能量场在空间中会相互作用。通过这种方式,时间和空间可以被视为一个事情发生的背景。空间和时间被视为可以度量的宇宙网格。在发展狭义相对论时,爱因斯坦发现,空间和时间不能是一种**的背景。牛顿认为,同一时间发生的两个事件,在所有观测者看来都是同时的。但是爱因斯坦发现,光速的恒定需要“现在”这个概念是相对的。以不同速度移动的不同观测者会对事件发生的顺序产生分歧。

地球附近的时空扭曲

这一原则在爱因斯坦的引力理论中被发扬光大。在广义相对论中,引力不是一种能量场。相反,质量扭曲了空间和时间之间的关系。如果我们回到之前的例子中,如果我们把质量A置于一个空无的宇宙中,其周围的空间和时间的关系被扭曲了。当我们把质量B置于附近时,其周围的时空扭曲意味着会朝向质量B移动。这看起来就像B被一股力拽向A,但实际上这是由于时空扭曲的事实。

正如物理学家约翰?惠勒曾经说过:“时空告诉物质如何移动;物质告诉时空如何弯曲。”

这就是为什么引力作用看似瞬时,但引力波却以光速传播。引力并不是一种在时空中传播的东西,引力就是时空。

黑洞由于其庞大的质量,是一种**扭曲时空。这样的时空扭曲可以阻止光和物质逃脱。但时空扭曲也是引力,它不需要逃离黑洞,因为它就是黑洞。

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