一个物体黑洞中无限往下掉,会超光速吗?不会,它可能比步行还慢
在大家的认知中,一个物体在引力场中一直往下掉,它的速度似乎并没有限制,只要这个距离足够长而且中心质量体无限大,那么终有一天这个下坠速度会超过光速?但事实上却不会发生这样的情况,我们从两个角度来解释这个有趣的问题,如果您信任爱因斯坦,那么请看第一个解释,如果你不信,那么请看第二个解释。
牛顿力学中的自由落体加速度计算应该是比较熟悉的,毕竟中学里就有,不妨来回忆下。
V=GT
V就是光速,G为重力加速度,选择种花家最近的上海 g=9.794米/秒^2为参考
T=V/G=299792458/9.794=354.28天
如果按照经典力学的解释,在这个恒定的引力场自由落体加速下,一年不到即可达到光速,当然从理论上来看,一年之后就该超过光速了。但事实上在这个情况是不存在的,因为牛顿经典力学它的应用范围是低速运动,比如10%光速以内,它的误差还是比较小的,一旦超过这个范畴,它的误差会越来越大,比如质速就遵守如下曲线关系。
就像计算黑体辐射的公式一样,维恩公式和瑞利-金斯公式都存在各自适合的范围,因为黑体辐射大家都知道,也能计算,所以普朗克的黑体辐射公式很容易就获得了信任,但质速关系很难理解,因为我们还达不到这样的速度,但其实在近地轨道的卫星就必须考虑它所带来的钟慢效应(和质速增加比例是一致的)。那么如何才是考虑整段速度的计算方式呢?放心,爱老头已经给我们准备好了。
综合一下,公式就是:E=mc^2/√(1-v^2/c^2) -mc^2
上述公式中m为物体的静止质量,在相对论质增效应下,这个速度会越来越慢,最终趋向于0,所以这个E的能量增加是有限的,最终的速度也无法超过光速。
黑洞的吸积盘除了黑洞外,在宇宙中找不出任何一个与文中假设条件相似的去处,因为它的逃逸速度超过光速,连光都无法逃脱,那么物质在下落过程中会超过光速吗?其实在这个话题中有一个非常令人迷惑的陷阱,因为很多朋友认为:
在越过了视界之后物体存在超光速下坠现象
其实种花家要给出的答案是,越过了世界之后物体的速度可能比物质在吸积盘中的速度还要慢,为什么呢?且听种花家做个简单分析,如果您觉得不合理,不妨留言或者私信讨论。
1、为什么物质不会直直下坠?
我们观测到的现象是黑洞或者中子星甚至白矮星与恒星诞生,都伴随着一个吸积盘,这是因为物质在引力场中下坠的过程并不是理想的状态,而是会受到多方影响,因此它下坠的理想直线将会成为一条螺旋曲线,因为存在了切线方向的加速分量,环绕着下坠成了必然选择。
2、越过了视界之后会超过光速吗?
这是很多科普作者误解的地方,尽管黑洞视界内我们不可能了解,但可以根据现有的物理规律去推测黑洞视界内的情况。
根据引力场中的时间交换比来推算,在越过黑洞视界时,它的时间将是停滞的,越过视界之后呢?它会倒流吗?很明显不能,会加速吗?没有理由!最大的可能是它仍然是停滞的,那么过了视界之后无论它将以多快的速度下坠,对于无限长的时间来说,它的速度也许比你的步行还要慢,如果以观测者的时空来分析这个下坠,它永远都掉不到“黑洞的中心”!
很有意思的一个讨论话题,居然牵扯车黑洞视界内的世界,其实《三体》中掩体世界里就有一个捕获的黑洞,有一个人掉下去了,他最后的身影留在视界上,在掩体世界的时空观来看,他永远都会停留在这个生死之间的阶段,刚开始的时候不明白,但后来了解了黑洞的德行之后也就明白这个道理。这就是广义相对论的时空观,在宇宙的不同条件的区域,时间的流逝是不一样的。