小物和小理的物理对话录(100)——黑洞是如何“吞噬”光的?

刘 铭 孟卫东(正高级教师)

(清华大学附属中学永丰学校)

前言:小物和小理是两名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习高中物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度.

1 对话录

小物:黑洞真是个神秘天体,任何东西靠近它时,都逃不过它的束缚.

小理:是啊,黑洞就像是宇宙真空吸尘器,可以吞噬靠近它的一切.

小物:为什么会这样呢? 光在静止时,光子质量是0,那么如果光没有质量,它怎么会受到引力而无法逃脱黑洞的束缚呢?

2 小理的解释

小理:先来认识一下光,光在静止时没有质量,但是在爱因斯坦提出的“光速不变原理”中提到,无论观察者的运动速度有多快,或者光源的运动速度有多快,所有观察者测得的光速都是相等的,大约为3×108m·s－1.也就是说,光子从“出生”时,就有最高的运动速度,所以光没有静止质量,但光在真空中却有能量,同普朗克的光量子一样,每个光量子的能量公式为E＝hν(ν为频率,h为普朗克常量).光子以光速运动,产生动能,根据质能转换方程E＝mc2＝hν,可得单个光子质量为,因此光子是有质量的,所以光也会受到万有引力的影响.可以根据万有引力定律和光的动质量,计算出黑洞对光子引力的大小.

牛顿还发现物质的速度达到7.9km·s－1就能绕地球转动,这就是第一宇宙速度.而如果物体的速度达到11.2km·s－1(第二宇宙速度),就能挣脱地球引力的束缚,前往太阳系其他天体.对黑洞来说,它的逃逸速度已经超过光速,因此具有动质量的光无法逃逸,只能被吸进去,这也是我们无法在可见光波段看到黑洞的原因.

小物:原来如此,还有其他的原因吗?

小理:还有一种解释,爱因斯坦广义相对论对引力的本质作出了新的诠释.他认为,时间和空间不再呈现为以往经典物理学中互相独立的景象,而是紧密融为一体,产生时空的概念,这是不同于牛顿万有引力定律的引力理论.广义相对论指出,引力是一种几何效应,源自有质量的物体造成的时空弯曲,而不是牛顿认为的物体之间的吸引力,而时空弯曲的曲率代表着时空弯曲的尺度.作为宇宙中质量较大的天体,黑洞造成的时空弯曲曲率很大,对物体的吸引能力很强.而弯曲并不是一个方向,用“弹簧床”的概念描述时空弯曲并不严谨,可以认为弯曲的方向是朝着物体的质心的(如图1).

图1 空间弯曲示意图

比如,向前扔出一个小球,小球会落向地面,用爱因斯坦广义相对论解释,质量巨大的地球弯曲周围的时空,使小球沿着弯曲的时空运动.再以太阳系为例,由于太阳占据了整个太阳系质量的99.86%,使得周围时空发生了弯曲,因此太阳系所有的天体才围绕太阳进行公转.光子运动也会受到弯曲时空的影响,当光经过大质量天体附近的弯曲时空时,就会沿着弯曲的时空运动,因此,引力不会直接弯曲光线,只是光沿着弯曲时空运动的现象看起来像是受到引力的吸引.

黑洞可以通过多种方式形成,比较常见的是由恒星即将灭亡时发生爆炸而产生.物质在力的作用下快速收缩,被压缩成密实的形体,同时压缩内部空间成为黑洞.黑洞的中心是奇点,那里聚集着黑洞的所有质量,导致奇点周围的时空受到极度弯曲,从而使光无法逃离黑洞内部的弯曲时空,被黑洞捕获.

小物:既然光已经被黑洞吞噬了,为什么拍摄到的黑洞图片中,黑洞周围还会有光呢(如图2)?

图2 黑洞的首张照片

小理:黑洞以极快的速度旋转,一度接近光速,这也导致黑洞与周围的物质产生强烈的摩擦,大量的能量被释放出来,因此会产生光亮.

茫茫宇宙中,虽然人类显得格外渺小,但关于宇宙的探索从未停止,相信在不久的将来,一个个谜团都会被破解,让我们能够更多地了解这片静谧的太空.

(完)