小物和小理的物理對話錄(100)
——黑洞是如何“吞噬”光的?

劉 銘 孟衛東(正高級教師)

(清華大學附屬中學永豐學校)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習高中物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度.

1 對話錄

小物:黑洞真是個神秘天體,任何東西靠近它時,都逃不過它的束縛.

小理:是啊,黑洞就像是宇宙真空吸塵器,可以吞噬靠近它的一切.

小物:為什么會這樣呢? 光在靜止時,光子質量是0,那么如果光沒有質量,它怎么會受到引力而無法逃脫黑洞的束縛呢?

2 小理的解釋

小理:先來認識一下光,光在靜止時沒有質量,但是在愛因斯坦提出的“光速不變原理”中提到,無論觀察者的運動速度有多快,或者光源的運動速度有多快,所有觀察者測得的光速都是相等的,大約為3×108m·s－1.也就是說,光子從“出生”時,就有最高的運動速度,所以光沒有靜止質量,但光在真空中卻有能量,同普朗克的光量子一樣,每個光量子的能量公式為E＝hν(ν為頻率,h為普朗克常量).光子以光速運動,產生動能,根據質能轉換方程E＝mc2＝hν,可得單個光子質量為,因此光子是有質量的,所以光也會受到萬有引力的影響.可以根據萬有引力定律和光的動質量,計算出黑洞對光子引力的大小.

牛頓還發現物質的速度達到7.9km·s－1就能繞地球轉動,這就是第一宇宙速度.而如果物體的速度達到11.2km·s－1(第二宇宙速度),就能掙脫地球引力的束縛,前往太陽系其他天體.對黑洞來說,它的逃逸速度已經超過光速,因此具有動質量的光無法逃逸,只能被吸進去,這也是我們無法在可見光波段看到黑洞的原因.

小物:原來如此,還有其他的原因嗎?

小理:還有一種解釋,愛因斯坦廣義相對論對引力的本質作出了新的詮釋.他認為,時間和空間不再呈現為以往經典物理學中互相獨立的景象,而是緊密融為一體,產生時空的概念,這是不同于牛頓萬有引力定律的引力理論.廣義相對論指出,引力是一種幾何效應,源自有質量的物體造成的時空彎曲,而不是牛頓認為的物體之間的吸引力,而時空彎曲的曲率代表著時空彎曲的尺度.作為宇宙中質量較大的天體,黑洞造成的時空彎曲曲率很大,對物體的吸引能力很強.而彎曲并不是一個方向,用“彈簧床”的概念描述時空彎曲并不嚴謹,可以認為彎曲的方向是朝著物體的質心的(如圖1).

圖1 空間彎曲示意圖

比如,向前扔出一個小球,小球會落向地面,用愛因斯坦廣義相對論解釋,質量巨大的地球彎曲周圍的時空,使小球沿著彎曲的時空運動.再以太陽系為例,由于太陽占據了整個太陽系質量的99.86%,使得周圍時空發生了彎曲,因此太陽系所有的天體才圍繞太陽進行公轉.光子運動也會受到彎曲時空的影響,當光經過大質量天體附近的彎曲時空時,就會沿著彎曲的時空運動,因此,引力不會直接彎曲光線,只是光沿著彎曲時空運動的現象看起來像是受到引力的吸引.

黑洞可以通過多種方式形成,比較常見的是由恒星即將滅亡時發生爆炸而產生.物質在力的作用下快速收縮,被壓縮成密實的形體,同時壓縮內部空間成為黑洞.黑洞的中心是奇點,那里聚集著黑洞的所有質量,導致奇點周圍的時空受到極度彎曲,從而使光無法逃離黑洞內部的彎曲時空,被黑洞捕獲.

小物:既然光已經被黑洞吞噬了,為什么拍攝到的黑洞圖片中,黑洞周圍還會有光呢(如圖2)?

圖2 黑洞的首張照片

小理:黑洞以極快的速度旋轉,一度接近光速,這也導致黑洞與周圍的物質產生強烈的摩擦,大量的能量被釋放出來,因此會產生光亮.

茫茫宇宙中,雖然人類顯得格外渺小,但關于宇宙的探索從未停止,相信在不久的將來,一個個謎團都會被破解,讓我們能夠更多地了解這片靜謐的太空.

(完)