黑洞吞噬一切,但光没有质量,为什么也会被黑洞吸引?

黑洞作为宇宙间一种质量和密度都极高的天体,它能够吸引并吞噬周围一切的物质,且能够将这些物质牢牢束缚在自己的史瓦西半径之内。

没有任何物质可以从黑洞之中逃逸而出,其中也包括宇宙中运动速度最快的光,而这也是黑洞名字的由来,既然进入黑洞的光无法再次出来,所以黑洞的视界内部便成为了一片永远不可见的区域,对这片区域用“黑”来形容再恰当不过了。然而,这里有一个令人不解的问题,那就是为什么光无法从黑洞之内逃逸而出?极高的质量和密度赋予了黑洞极为强大的引力,但光并不同于其它的物质,它没有质量。我们知道,任何具有质量的物体之间都具有相互的引力作用,然而光没有质量,为什么也会被黑洞的引力所吸引呢?要解答这个问题,我们首先必须要从光的质量说起。

说光没有质量是不够准确的,光并不是没有质量,它只是没有静止质量而已。

任何具有静止质量的物体,在运动的过程中会产生惯性质量,而惯性质量等效于引力质量。随着运动速度的提高,物体的惯性质量会大幅增加,根据质能方程可知,当运动速度接近于光速时,惯性质量也趋近于无穷大,而继续加速也就需要无穷大的能量,而宇宙中不存在无穷大的能量,所以也就不可能将一个具有静止质量的物体加速到光速,因此光这种没有静止质量的物质就代表了宇宙间最快的运动速度。

光子没有静止质量,但同时光子也并不会静止,光子从诞生就处于运动之中,并始终以光速进行运动。光子既然是运动的,那么就必然具有运动质量,而要计算出光子的运动质量也并不是一件困难的事情。

因为光速为每秒299792458米恒定不变,而光速就等于波长乘以频率,所以不同的光也就具有了不同的运动质量,因为波长的不同会导致频率的不同,计算得出的运动质量也就不同,但有一点是相同的,就是它们的运动质量都非常微小。

既然光始终处于运动之中,也就始终具有运动质量,而有质量就有引力,所以自然就会和其它物体产生相互的引力作用,所以光被黑洞吸引也就没有什么稀奇的了。说到底,光是如何被黑洞所吸引的呢?这我们还是要从引力的本质说起,广义相对论认为引力的本质就是时空弯曲的几何效应。有质量的物体会导致时空的弯曲,而质量越大,其周围时空弯曲的程度就越大,而对于黑洞这种质量极其巨大的天体而言,它周围的时空已经被极度弯曲了。

为了便于理解引力对于光的吸引,我们可以进行这样一个思想实验,首先,让我们在地上挖出一个坑,在坑中放上一个球,代表一个大质量的天体,而这个坑就代表了大质量天体所引起的周围时空弯曲。

现在我们再拿一个小球,将它放置在坑的范围之内,很自然地,它会向坑底的大球滑落,最终和大球贴在一起。这个画面形象地描绘了大质量天体所引起的时空弯曲对范围内物体的引力作用。现在,如果我们想要让小球摆脱这个大球的引力范围,应该怎么做呢?我们可以把这个小球向坑上弹,如果这颗小球的速度不足,那么它会再次滑落回大球的身边,如果这个小球达到了一定的速度,但是速度还不足以使它滚出坑边,那么它会环绕大球运动并滑落回大球的身边。

请注意,环绕大球运动的小球之所以会再次滑落大球身边,是因为坑与球之间存在摩擦,减慢了小球的运动速度,但宇宙是一个几近真空的环境,所以小球的速度不会下降,因此会一直围绕大球运动,这就是为什么卫星进入地球轨道之后可以一直围绕地球运动的原因了。

如果这颗小球的速度更快,能够一下子冲出坑边,那么它就摆脱了大球的引力范围。物体质量越大,所造成的时空弯曲程度就越大,想要冲出去就需要更高的速度,而黑洞的质量实在是太大的,会导致周围的时空发生极度的弯曲,所以即使是以光速运动也无法离开黑洞的引力范围,换言之,黑洞的逃逸速度超过了光速,所以包括光在内的一切物质,只要进入了黑洞的史瓦西半径,便无法再次离开。

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