根据我们所熟知的引力理论,有质量的物体之间才会产生引力作用。



然而,光子没有质量,却依然无法逃脱黑洞的 “魔掌”,被黑洞吸引,这到底怎么回事,难道不矛盾吗?



1687 年,牛顿在其不朽著作《自然哲学的数学原理》中,正式提出了万有引力定律 。

根据万有引力定律,宇宙中的任意两个质点之间,都存在着一种相互吸引的力。

这个力的大小,与两个质点的质量之积成正比,与它们之间距离的平方成反比 。



在日常生活中,我们可以看到许多万有引力定律的生动体现。比如,苹果从树上落下,是因为地球对苹果施加了引力;月亮绕着地球旋转,也是因为地球与月亮之间存在着引力作用 。

这些现象都表明,质量在引力的产生中扮演着至关重要的角色。在传统的牛顿力学体系中,质量被视为产生引力的根源,物体的质量越大,它所产生的引力也就越强。

其实 “光子没有质量” 这一表述其实并不完全准确。



更确切地说,光子没有静止质量 。在物理学的微观世界里,光子宛如一个独特的存在,它从诞生的那一刻起,便以光速在宇宙中飞驰,没有丝毫的加速过程 。

根据爱因斯坦提出的著名的质能方程E = mc²,能量E和质量m之间存在着等价关系,其中c代表真空中的光速,是一个常量,约为3×10^8 m/s\。对于光子而言,虽然它在静止状态下的质量为零,但当它以光速运动时,便具有了动质量 。

光子的能量可以通过公式E = hν来计算,其中h是普朗克常量,其值约为6.63×10^-34J·s,ν是光的频率 。结合质能方程E = mc² ,我们可以推导出光子的动质量m的计算公式为m=hν/c^2。



从这个公式可以看出,光子的动质量与它的频率成正比,频率越高,动质量就越大 。例如,伽马射线的频率比可见光高得多,因此伽马射线光子的动质量也相对较大 。

在广义相对论的宏伟框架中,引力不再被视为一种传统意义上的力,而是被赋予了一种全新的诠释 —— 质量扭曲时空所产生的几何现象 。



为了更直观地理解这一抽象而深邃的概念,我们可以展开想象的翅膀,将时空类比为一张平整且富有弹性的橡胶膜 。

当一个质量较小的物体,比如一个小小的弹珠,放置在这张橡胶膜上时,弹珠只会在膜上产生一个微小的凹陷,对膜的整体形状影响甚微 。

然而,当一个质量巨大的物体,例如一个沉重的铅球,被放置在橡胶膜上时,情况就截然不同了 。铅球的巨大质量会使橡胶膜发生严重的凹陷和扭曲,形成一个深深的 “坑” 。



在这个比喻中,铅球就如同宇宙中的大质量天体,如恒星、黑洞等,它们的质量会使周围的时空发生弯曲,就像铅球使橡胶膜弯曲一样 。

而光子,作为光的基本组成单位,在时空中的运动遵循着一定的规律 。

在广义相对论中,光子总是沿着时空的测地线运动 。

所谓测地线,简单来说,就是在弯曲时空中两点之间的最短路径 。在平坦的时空中,测地线是一条直线,这就是我们通常所看到的光沿直线传播的情形 。



然而,当光经过大质量物体附近时,由于时空被大质量物体弯曲,测地线也随之变得弯曲 。这就意味着,光子的运动轨迹也会发生弯曲,就好像光被大质量物体 “吸引” 了一样 。

这种现象在现实宇宙中有着诸多生动的例证 。

例如,当遥远恒星发出的光线经过太阳附近时,太阳的巨大质量会使周围时空发生弯曲,光线的传播路径也会随之弯曲 。



1919 年,英国天文学家爱丁顿率领的观测团队在日全食期间,通过观测恒星光线在太阳引力场中的弯曲情况,成功验证了广义相对论的这一预言 。

在理解了光子具有动质量以及黑洞对时空的扭曲效应之后,我们便能深入探讨黑洞吸引光子的具体原理 。黑洞,这个宇宙中质量最为巨大、引力最为强大的天体,其质量高度集中在一个极小的区域内,使得周围的时空被极度扭曲 。

想象一下,在平静的湖面上投入一颗巨石,湖面会泛起层层涟漪,石头周围的水面也会凹陷下去 。黑洞对时空的扭曲就如同这颗巨石对湖面的影响,只不过黑洞的质量要比巨石大得多,其对时空的扭曲程度也更为剧烈 。

在黑洞附近,时空的弯曲程度变得如此之大,以至于形成了一个深深的 “引力陷阱” 。



当光子进入黑洞周围的引力场时,原本沿着直线传播的光子,由于时空的弯曲,其路径也会发生改变 。就像在一个弯曲的迷宫中,光子只能沿着弯曲的时空路径前进 。而这个路径最终会指向黑洞的中心,使得光子无法逃脱黑洞的引力束缚,被黑洞捕获 。

从广义相对论的角度来看,光子的运动轨迹是由时空的几何形状决定的 。

在平坦的时空中,光子沿着直线运动;而在弯曲的时空中,光子则沿着测地线运动 。黑洞周围的时空被扭曲成了一种特殊的几何形状,使得光子的测地线最终会落入黑洞之中 。

此外,黑洞的逃逸速度也是导致光子无法逃脱的重要原因 。逃逸速度是指物体逃离天体引力束缚所需的最小速度 。



对于地球来说,其逃逸速度约为 11.2 千米 / 秒,只要物体的速度大于这个值,就能够摆脱地球的引力,进入太空 。然而,黑洞的逃逸速度却远远超过了光速 。

这意味着,任何物体,包括以光速运动的光子,一旦进入黑洞的引力范围内,就无法获得足够的速度来逃脱黑洞的引力,只能被黑洞无情地吞噬 。

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