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光到底有没有质量?如果没有,为什么能被黑洞吸引?

2019-11-05 13:03栏目:探索
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不得不说,光速和黑洞一直以来都是热门的话题,关于这个问题,想搞明白需要从本质上了解,万有引力定律,广义相对论的内容以及光和黑洞等相关知识 接下来本文就为你一个一个讲解这些东西

首先是牛顿经典力学中的万有引力定律

学过中学物理的都知道它表达的是:任意两个质点之间都存在相互吸引的力 大小和质量之积成正比,和距离成反比

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万有引力定律作为经典力学的代表,对于很多现象都能完美的解释,也可以和其他的理论所相融 并且在宏观,低速领域,它确实是最好用的理论

  • 可惜的是当时牛顿并不知道引力的本质是什么,它又是如何产生的

按照万有引力的定义,我们可以得出,引力的作用效果是瞬间产生的,也就是说:引力是超距作用的 但是包括牛顿本人都对这个结论感到不满意 但又找不到更合适的理论来取代它

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万有引力的局限性

随着科学的不断发展,渐渐出现了下列一些牛顿理论所不能解释的现象和实验结果

  • 1.按照万有引力定律,光线的偏折只要实际观测的一半
  • 2.无法解释为什么所有的物质引力质量和惯性质量相同
  • 3.不能完全解释水星在近日点时出现的进动现象
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为了解释这些现象,1907年,爱因斯坦初次提出了广义相对论:将牛顿的万有引力定律和狭义相对论进行了推广,从而解决万有引力定律的局限性,同时也对引力的本质表达出了自己的观点

那么引力的本质是什么?

在科学上存在四大基本作用力:电磁力、强相互作用力、弱相互作用力、引力 而万物之间都有引力的存在,引力也是具有质量的物体之间相互靠近的一种趋势

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在牛顿力学中,万有引力定律还有一个容易被忽略的一个假设的前提,即:绝对时空观,简单来说就是,牛顿认为时空是直的,不存在弯曲 而在爱因斯坦的广义相对论中,时空则是可以弯曲的,引力就是时空的弯曲才产生的

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在广义相对论中,爱因斯坦使用测地线的概念重新建立起了时间和空间的关系,他认为,完全真空的空间都是平坦的,但是在有质量的物体作用下,平坦的空间会变弯曲

宇宙中任何物体(包括光线)都在沿着测地线运动 而引力是时空的一种几何属性,有质量的物体可以弯曲它附近的时空,

  • 引力则是时空弯曲的外在表现,并且质量和能量越大,空间曲率越大,相对应的引力效应就越强
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我们都知道地球围绕着太阳公转,如果用牛顿力学解释我们只能说太阳和地球之间存在万有引力,太阳强大的引力吸引住了地球,而实际上换作相对论来却能更好的理解引力的本质:

太阳质量太大弯曲了周围的时空,以至于时空弯曲成了一个类似于漏斗的样子

地球本来要走的是直线,但是附近的时空被太阳弯曲了,这时候经过它的物体会依然沿着被弯曲的测地线运动,所以就产生了被“吸引”的效果

这就是所谓的测地线的概念,就是因为引力使之沿着弯曲轨道运动的结果

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  • 一句话总结就是:引力的本质是时空的弯曲

下面我们再来讨论关于光子的一些性质

  • 波粒二象性

光子也被称为光量子,在电磁相互作用中起这重要的作用,是一种规范玻色子 同其他的基本粒子相比,光子似乎是个另类的存在,因为光子具有波粒二象性:既可以表现出波的折射,干涉等性质,又可以表现出粒子性

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普朗克首次提出了电磁波携带的能量是量子化的,不同频率电磁波的能量量子为hν,而且他认为光子一份一份的能量单元仍然是一种振动的波,但是爱因斯坦则认为这一份一份的能量单元不是那么简单的,当时只知道光是一种电磁波

光的波粒二象性是爱因斯坦率先同一并证明的,发现所有的物质都具有波粒二象性,波粒二象性是自然界中一切事物运动的最基本量子特征

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爱因斯坦把黑体辐射和光电效应的实验现象结合起来再加上牛顿的光粒子学说发现,如果把这一份一份的能量量子看作是粒子,然后让光通过具有粒子性的能量量子并进行传播然后与物质发生相互作用,成为第一个成功解释光电效应的人,光电效应说明了光具有粒子性

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光子可以在很多自然过程中产生,光子在运动过程中具有质量,能量和动量

在牛顿的经典力学中,描述拥有质量的物体会受到万有引力的作用,但是在爱因斯坦的相对论中,质量又可以分为静止质量和动质量

在物理学中对光子的定义为“光子在静止状态下质量为0”,但是因为光子始终都在运动,并且在真空状态下运动速度为299792458 m/s,也就是约30万km/s

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而以光速运动的光子同时具有能量和动量,在广义相对论中,能量和质量是物体的同一个性质,根据E=mc²,能量可以等效为质量,也就计算出光子的动质量

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计算光子的质量

  • 所以我们认为光子有动质量

黑洞是爱因斯坦在广义相对论中预言的一种现象,史瓦西被爱因斯坦的广义相对论本质所吸引,并且开始寻找它的方程的精确答案

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这个答案表面是:如果将大量物质集中在空间一点,其周围会产生奇异的现象,也就是质点周围会存在一个视觉界面,如果一旦进入到这个界面范围内,连光也是无法逃脱的

后来被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”

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  • 黑洞是宇宙中最神秘的一种天体,但近百年来人类对黑洞的探索从未停止

直到2019年4月拍摄了第一种黑洞照片——M87*星系黑洞,黑洞位于室女座一个巨型椭圆星系M87的中心,有400亿公里长,距离地球5500万光年,并且证实了爱因斯坦相对论的黑洞存在

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第一张黑洞照片

黑洞本身是看不到,但是我们可以通过观测黑洞周围明亮的吸积盘来间接证明黑洞的存在

  • 了解了光和黑洞,你应该已经大致明白问题的答案了,我们把这两者结合到一起再来讨论下

前面提到当天体的质量越大,时空被弯曲的也却严重 而像黑洞这种密度无限大,体积无限小的奇点,时空被弯曲的也最大,任何经过它的物体都会沿着被重度扭曲的测地线运动,即使是光也一样 所以严格来说,并不是黑洞吸引了光,而是光本身就一直在沿着弯曲的侧地线运动,自己不出来罢了

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结语

最后来个总结

  • 在黑洞这样引力如此大的天体面前,牛顿的经典力学已经不再适用,这个时候就需要爱因斯坦的广义相对论来解释
  • 实际上光没有静质量,但是光子运动的时候就具有了动能,根据质能方程光子也就拥有了质量
  • 光也并不是被黑洞吸引了,而是黑洞严重扭曲了附近的时空,导致光沿着被弯曲的测地线运动,所以光根本出不来 看起来就像被黑洞吞噬掉一样

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