黑洞是一个洞吗?并不是!黑洞是极度弯曲的时空

“黑洞”一直以来都是天文学界很热门的词汇,也是天文学近几十年来一直在研究的对象。关于黑洞,我们所知道的也越来越多,今年4月份,科学家甚至公布了给黑洞成像的照片。那么,问题来了,黑洞到底是什么?

我们先给出答案,再来讲述,黑洞其实是超大质量的恒星演化的结果,是一个天体,同时它还剧烈地弯曲了时空。这里的超大质量恒星是指8倍以上太阳质量的恒星。

黑洞是一个洞吗?并不是!黑洞是极度弯曲的时空

那具体是咋回事呢?今天,我们就来聊一聊:

万有引力定律

要了解黑洞,就得了解黑洞的历史。话说17世纪,近代科学之父牛顿在1687年发表了著作《自然哲学的数学原理》。

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在这本书中,他详细阐述了万有引力定律,他认为万物之间都有彼此吸引的力,这个力被称为万有引力,万有引力与物体的质量成正比,与物体之间的距离成反比。

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在这本书中,牛顿还提出了一个富有创意的思想实验。他假设存在一种理想的大炮,如果大炮向前方开炮,那炮弹一般来说,就会是抛物线。(这里补充一句,我们需要把地球是球状,大地是曲面考虑进去。)

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如果,让炮弹再加速一点,加到大地向下的变化率正好等于炮弹向下运动的变化率,这个时候,炮弹就会绕着地球做运动。

当然,如果此时,你增加一下炮弹的速度,就能够让炮弹绕着地球轨道的形状变得更大一点。

如果速度达到一定程度,炮弹就有可能摆脱地球的引力束缚,飞向遥远的太空。

从这里我们可以得出一个结论,一个物体到底能不能摆脱地球引力的束缚,实际上和物体的速度是有关的,而正好贴着地面飞行的速度,被我们称为第一宇宙速度。能够摆脱地球引力束缚的速度,被我们称为第二宇宙速度。

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黑洞到底是什么?

这里我们要说明一下,实际上不同的天体,它们的宇宙速度是不同的。所以,就有人在想,是不是存在着一种天体,它的第二宇宙速度远远超过光速。如果真有这样的天体,那岂不是连光都跑不出来了?其实很早以前就有人在思考这样的问题,而这个也就是最早黑洞的想象雏形。

到了1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,在这个理论当中有一个广义相对论引力场方程。

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这其实是一个极其复杂的方程,很难求解。爱因斯坦发表时就觉得一时半会没有人能解得了这个方程。只是没想到,才没多久,在一站战场上的史瓦西就得到了一个解。收到史瓦西的论文时,爱因斯坦是不太相信的。这是因为史瓦西对应的这个解,是一个不旋转的黑洞,其次我们并没有观测到黑洞的存在。

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当然,后来到了上世纪的60年代,科学家真的观测到了黑洞的存在。

那黑洞真的就是牛顿理论中描述的那样吗?实际上,牛顿万有引力定律一直都存在一个问题,那就是万有引力的本质到底是什么?

光为何无法摆脱黑洞?

同样还是爱因斯坦的广义相对论,他在这个理论当中提出,万有引力的本质是时空的弯曲。我们所生活的世界其实是一个四维时空,三维的空间加上一维的时间。我们就地球和月亮举例子,月球之所以会绕着地球转,是因为地球弯曲了周围的时空,月球只是沿着时空的“测地线”在运动,这里的测地线可以理解成四维时空中的“直线”。

所以,并不存在“引力”,引力这个现象只是时空弯曲造成的。同样的,光之所以摆脱不了黑洞的一个很大的原因,在于黑洞剧烈地扭曲了周围的时空,当光沿着时空的测地线运动时,就会掉到黑洞当中。

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所以,黑洞并不是主动要把光吸引过去的,而是因为它弯曲的时空,造成了周围的物体沿着时空测地线运动时,只能掉入到黑洞当中。

我们来总结一下,黑洞能够让光都跑不出去,其实从牛顿力学的角度来看,黑洞的第二宇宙速度远远超过光速,因此光速无法摆脱黑洞的引力。但从相对论的角度来看,或者说从引力的本质来看,黑洞强烈地弯曲了周围的时空,使得周围的光沿着时空测地线运动时,必然要掉入到其中。

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