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光没有质量,所以引力几乎为零,黑洞把光吸住了,怎么解释?有质量才有引力,不矛盾吗?

天体演化的方向,是由低密度逐渐地向高密度过渡。它们分别是恒星、白矮星、中子星和黑洞。

当天体演变为黑洞时,其密度非常大。其中的所有作为封闭体系的基本粒子(物质),都被压碎了,还原为不可再分的最小粒子即量子。所以,黑洞与其他天体不同,其本质上是一个巨大的能量球即能量的封闭体系,因而具有极高的能量密度。

根据有机的量子宇宙观,基态量子构成了空间,受到激发的量子成为光子,由高能量子组成的封闭体系就是各种基本粒子,由各种基本粒子形成的更高层次的封闭体系依次为原子、分子和宏观物质。

所以,任何物体的运动都会受到量子空间的束缚,它们的外在能量都具有两种不同的形式,即关于自身的动能和相对于空间的势能。

由于光子的本征参量是普朗克常数h,该常数的量纲为粒子的角动量,因而光子也是粒子,其同样具有最小的质量和固定的半径。

因此,光子的能量和其他物体一样,也具有两种不同的存在形式,即关于自身的动能和相对于空间的势能。

只是由于光子的质量非常小,以至于光子的能量变化,主要是其相对于空间势能的变化,表现为光速相对于空间和能量都具有近似的不变性。

因此,由于黑洞的能量密度非常大,即量子空间极度的不对称,所以当光子逃离黑洞时,会受到量子空间的束缚。而且,能量越高的光子受到的束缚就越大,以至于光子在离开黑洞之前,就耗尽了其所获得的激发能量,蜕变为基态量子,从而失去了运动的方向。

于是,失去了能量的光子,又会被不对称的量子空间拽入黑洞,即因受到空间量子的不对称碰撞而被打入黑洞。

由此,光子又重新获得了能量,并再次试图逃离黑洞。如此循环往复,就是光子在黑洞内部的运行模式。这就是为什么光子无法逃离黑洞的原因。

总之,光子的能量主要是相对于空间的势能,而且其势能的大小与受到空间的束缚成正比。于是,由于黑洞的密度过大,导致量子空间极度的不对称,使光子在离开黑洞的过程中将能量转移给了量子空间,从而失去了离开黑洞的能力。

光是多波段的波粒二相体,包括现在已经认识的光子或量子都是波粒二相体,也就是物质与能量的混合交融体,所以光有质量,只是人类目前的技术无法检测出它的质量,只是认为光没有质量,或者假设光没有质量。

光被黑洞吸入之后,随着黑洞吸入的物质越来越多,温度和内部压力不断升高,当其温度达到某一值时,例如5000亿摄氏度以上时(大部分黑洞达不到这个条件,就只能永远以黑洞的形式存在),黑洞内部的所有物质,包括光子和量子,开始向能量转化,最终形成宇宙大爆炸前的状态,奇点,也就是一颗纯能量球。这时才是真正的没有质量了。

还有一点需要指出,我们现在定义宇宙,不是真正的宇宙,它太小,真正的宇宙要比它大的多得多。

我们现在定义的宇宙只是真正宇宙中的一个星系。

无论是黑洞还是“奇点”都只是真正宇宙中的一颗超大星球,这个“奇点”大爆炸后才形成了我们现在定义的所谓宇宙。

我们现在定义的这个所谓宇宙有多大呢?在“奇点”形成之前的超大黑洞,具有极强大引力,只要是在它引力范围内的所有物质,包括大大小小的星球或小星系以及小黑洞都会被它吸入。所以现在我们这个星系周围还存在的黑洞就是当年未被吸入的黑洞,也就是我们现在所定义的这个所谓宇宙(实为星系)的边界。

其实有一些答主已经答得相当专业也相当好了。我就来简单讲讲我的看法。

牛顿的万有引力定律

很多人对于引力的观念其实还停留在牛顿的万有引力定律上,在这个牛顿理论中,有个上过高中物理课的人都熟悉的万有引力公式:

但是牛顿得出这样的公式看起来很简洁。实际上,很少人会在意牛顿其实做了一个假设:时空是平直的。这也常常被我们叫做绝对的时空观,或者机械时空观。


爱因斯坦的广义相对论

但是后来,爱因斯坦提出了不同的看法,它认为时空并不是平直的,而是可以弯曲的。

地球之所以绕着太阳转,不是太阳拽着地球在转,而是因为太阳压弯了时空,地球沿着测地线在运动。所以在爱因斯坦的体系里,引力的本质是时空的弯曲。

也就是说,任何的物质都是沿着测地线在运动,如果时空被压弯了,沿着测地线的运动路径就很可能是弯的。光也不例外,他也要沿着测地线运动,如果它经过大质量的天体,天体压弯了时空,那光的运动方向也是弯曲的。

而黑洞呢?它的质量一般都很大,时空会被黑洞严重弯曲。

所以光经过黑洞附近时,就会被向内弯曲,而无法逃离黑洞,从观测者的角度来看,就好像被黑洞吸走了一样。

从逃逸速度来理解

当然,以上都是原理的简单描述。其实我们还可以换个角度去思考。

其实我们都知道的第一宇宙速度,第二宇宙速度什么的,这其实是在说逃离一个天体的最低速度。其中我们常念叨的第二宇宙速度就是摆脱地球引力的最低速度。第三宇宙速度就是摆脱太阳系的最低速度。这个速度我们也可以叫做逃逸速度

科学家其实就有在思考一个问题,要知道物质、信息、能量的最快速度其实是光速,那有没有可能存在一种天体,它的逃逸速度就是光速呢?

其实这个问题从牛顿时代就有人开始考虑了,拉普拉斯甚至把这个天体命名为暗星。不过真的做出预测的科学家是史瓦西,通过爱因斯坦的广义相对论引力场方程预测的。而其中史瓦西半径指的就是光不能逃离的天体半径。

牛顿和爱因斯坦要是听到这个问题,一定会气的跳出来找你!

牛顿认为光是细小的粒子流,所以说,牛顿不可能认为光没有质量! 爱因斯坦也没有说光子没有质量呀,他认为光子静止时质量为零,可是光子永远以光速运动的,所以说,光子也是有质量的,这个质量叫做运动质量或者相对论质量!

一、光子的运动质量

  • 并不是说光子没有质量,而是光没有静止质量,爱因斯坦将物体的质量区分为静止质量和运动质量,光子的静止质量为零,但不是说运动质量也为零。

根据相对论质速关系方程运动质量是随着速度的增大而增大的。

爱因斯坦还提出了著名的质能转化方程 ,根据质能方程

我们可以算出光子的运动质量!

  • 以红光为例:

红光的波长为:750nm左右

根据 光速=波长×频率

我们就可以计算出红光的频率大概是4×10^14Hz

E=hν h为普朗克常量(6.63×10^-34J•s) ν为频率E=hν=6.63•10^-34J•s×4×10^14Hz=2.652×10^-19J

E=mc²

m=E/c²=2.652×10^-19J/(3×10^8m/s)²=3×10^-36kg

通过计算,我们也能得到,光子的运动质量是3×10^-36kg, 也就是说,并非光子没有质量,光子只是在静止时没有质量,光子是有运动质量的,而且光子一直在运动!

二、引力的本质

  • 牛顿认为任何有质量的两个物体之间都存在引力,所以叫万有引力,引力的大小与两物体质量的乘积成正比,与他们距离的二次方成反比!

  • 随着科学技术的发展,人们发现,万有引力定律适用范围有限,而且也不能解释光线在太阳引力的作用下偏移的现象!
  • 爱因斯坦提出的广义相对论很好地解释了光线在太阳周围偏移的现象! 说明了光义相对论比万有引力定律更进了一步! 爱因斯坦的广义相对论跟牛顿的万有引力定律的区别在哪儿呢?

广义相对论认为,引力的本质其实一种几何效应,其实就是时空弯曲! 任何有质量的物体都会使其周围的时空弯曲,引力的本质就是时空弯曲。

我们举个例子理解一下: 就好像我们在一张平整的弹簧床上放了一个石头,这个床就会向下凹陷,石头质量越大,床凹陷的越历害是一样的!

如果我们在这个凹陷处的跟前放入一个比它质量小的多的石头会怎么样呢?那如果放一个比它质量大的多的石头呢?

是的,小石头会掉入大石头压出来的凹陷当中!

我们可以继续思考一下,如果我们在大石头压出的凹陷边缘,将一个玻璃球以一定的初速度弹出去,会出现什么情况呢?

情况是这样的:速度小、掉下去;速度刚好、一直绕着凹陷旋转;速度大、甩出来!

这下你能理解为什么发射卫星有第一、第二、第三宇宙速度了吗?

  • 那如果中间是一个体积无限小、质量无限大的石头呢,当然压出来的凹陷就特别深、也特别陡,所以一但出现在这个凹陷周围,再大的速度也甩不出来了,玻璃球只能掉下去或者一直在凹陷边缘绕着旋转了!

  • 而黑洞就是这样一个,体积无限小、质量无限大的天体,周围的时空被严重的扭曲,任何物质出现在它周围都只能掉进去,哪怕宇宙中速度最快的光也不能逃脱。

这就是为什么光子也无法逃脱黑洞的原因,其实并不是因为什么引力,引力只是时空扭曲的一种表现形式。

先说说第一个问题,光子到底有没有质量,答案是静止的光子没有质量,但光子一旦出现,就会一直往前飞,所以静止的光子是不存在的。

那么当光子运动起来的时候,它就具有能量和动量,所以宇宙中的光子肯定都有质量,有质量就意味着光子会受到引力的作用,所以它被黑洞吸引并不奇怪。

其次黑洞之所以能吞噬光子,是因为黑洞的引力太大,而爱因斯坦告诉我们,引力实际上是时空弯曲的一种体现,简单的说由于黑洞的质量太大了,导致周围的时空发生了难以想象的扭曲。

当光来到黑洞周围的时候,由于前进的路变弯曲了,它就只能弯曲的路走进黑洞里面,于是就再也出不来了。

另外再说说黑洞的问题,黑洞确实是一种可怕的天体,甚至有些观点认为,黑洞将吞噬宇宙中的一切,但这个想法恐怕不太对。

黑洞从本质上来说仍然是一种天体,既然是天体就不可能永远存在下去,在微观的宇宙环境当中,正粒子和负粒子会不断的诞生出来,这些正粒子和负粒子又会在很短时间内互相湮灭。

但如果有一对粒子出现在黑洞周围,就可能导致其中一个粒子掉入黑洞,例如当负粒子掉进黑洞的时候,对应的正粒子就失去了湮灭的对象,于是它就从虚粒子变成实粒子。

这个过程就好像正粒子从黑洞吸收了能量,导致它可以光明正大的出现在宇宙当中,所以黑洞质量自然而然就出现了损失,最后也就慢慢的消失了…..

茫茫宇宙,最快不过光速,最神秘不过黑洞,在现代物理学中,光速和黑洞一直以来都是热门的话题,黑洞是一个密度可以大到连光都无法逃逸的一种天体,可以吞噬一切物质,而光具有目前真空中传播最快的速度。黑洞可以吞噬一切物质, 那为什么连光都无法逃脱呢?



但有质量才有引力,光没有质量,黑洞为什可以吸住光?

先来认识一下黑洞,其产生过程类似于中子星的产生过程,就是说如果一个恒星在准备灭亡时,核心在自身重力的作用下会迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸,而当核心中所有的物质都变成中子时,收缩过程就会立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。

但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,直到最后形成体积无限小、密度无限大的一种星体。



而正是由于黑洞的体积小密度高,所以它产生的引力场极为强大,以至于任何物质进入到黑洞内,便会被吞噬掉,我们都知道光速可以说是事物的最极限运动速度,达到了3*10^8m/s,但是黑洞的脱离速度竟然超过每秒 30 万公里。

因此,我们可以看出在黑洞面前光速也只能算作“龟速”,众所周知,世界上没有任何东西可以跑得比光还快,但是光都无法离开黑洞的表面,天文学家们也曾断言几乎没有光子能逃脱黑洞的吸引与追捕,任何靠近它的物体都会被吸进去。


并且,我们要知道黑洞的质量是非常大的,没有上限,根据科学家们的探究发现黑洞引力的影响范围的关键在于其黑洞质量的大小,也就是说黑洞的质量越大,其引力的影响范围也就越大,一般来说黑洞的质量都是非常大的,那么引力的影响范围可想而知!


回到问题中,要想搞明白这个问题需要从本质上来理解,首先就是牛顿经典力学的万有引力定律。

万有引力定律是经典力学中的代表,在宏观,低速领域都能完美的解释。

其表达的是: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。


按照定义,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。

但随着物理学的发展,万有引力定律的弊端也逐渐显现出来,比如万有引力定律无法解释为什么所有的物质引力质量和惯性质量相同等等现象。于是到了1907年,爱因斯坦提出了广义相对论,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。


引力的本质

在爱因斯坦的广义相对论中,把引力描述为:引力是质量扭曲时空的几何现象,而且还指出物体会使周围的时空发生弯曲,如果物体质量大,那么造成的时空曲率就越大,反之,物体质量小,所造成的时空曲率就越小,即便是光在经过大质量物体的时候,传播路线也会发生弯曲。

因此,引力的本质就是时空的弯曲。


在物理学中,质量表达的是物体所含物质的多少,其数值并不会因为物体的状态、形状和位置而发生改变,是物体的基本物理属性之一,而光其实是有质量的。

关于光没有质量的这种说法并不准确,实际上应该说光没有静止质量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,光虽然没有静止质量,但它却具有动质量,其质量可以表达为m=E/c^2,在研究微观粒子时(尤其是做粒子对撞实验过程中),就可以这样表述质量的大小。


对于光来说,由光子所组成,而光子从出生时就具有最高的运动速度,并且没有加速过程,这也就是相对论中所说的没有静止质量,但在真空中却有着恒定的运动质量,因此光是有质量的。

黑洞为什么可以吸住光呢?

上面已经说到了光虽然没有静止质量,但它却具有动量。

光是由光子组成,而且其中每个光子都携带着能量,公式为E=hν,当光子以光速运动,就产生了动能,根据质能等价转换E=mc2=hν,我们可以得出单个光子质量是m=hν/c2,也就是说光子也是有“质量”,自然光就会受到万有引力的影响。


我们要知道在物理学中,光总是以直线在时空中前进,但是黑洞作为宇宙内引力最强大的天体,严重弯曲了时空,进而导致每秒30万千米的光在经过黑洞周围时,传播路线也会发生改变,进而被吞噬,严格意义上来说,所谓的黑洞吞噬光,其实就是扭曲。

之前我们已经说了,黑洞是目前我们人类已知的最大引力场,而我们宇宙的本质是几何构造,任何的天体只需要引力达到一定,它就可以对空间进行扭曲,光也会受到万有引力的影响。


这样一来,在空间弯曲后光线也就弯曲了,再加上如果物体的速度达到11.2km/s的第二宇宙速度时候,也可以被称为逃逸速度,那么就能挣脱地球引力的束缚前往太阳系其他天体,但是对于黑洞来说,他的逃逸速度已经超越光速,因此具有动质量的光只能被黑洞吞噬,从而无法逃逸出去。

这个问题可以用两个理论来解释。

一个是光子没有静止质量看,但有动质量。

光子是电磁辐射的载体,是电磁相互作用的媒介子,其静止质量为零,但光子一出生就是以光速运动的,其具有能量、动量、质量。

二是根据爱因斯坦相对论,引力的本质是质量对周边时空的扰动,是对时空的扭曲。凡有质量得物体都会有这种扰动,但小质量物体扰动不明显,难以察觉,大质量天体的扰动就比较明显了。

大质量天体对时空的扭曲表现为对周边时空造成漩涡或者陷阱,任何小质量物体经过大质量物体引力场时都会受到牵制,包括光线,也只能随着其时空陷阱或者漩涡的曲线经过。

这两个理论都可以说明黑洞把光吸住了,揪住它不让它逃脱是一个很合理的事情,一点都不矛盾。

黑洞的引力场影响并不是无限的,是有距离限制的。只是在其史瓦西半径里才能够达到无限大,才能够锁住光线。

光子既然有动量质量,当然会被这个无限大的引力场所影响并被其锁在自己的势力范围。

黑洞的引力场把周边时空无限扭曲,形成一个向内向无限小的奇点坠落的螺旋状漩涡,光线一旦进入了这个场中,就只有顺着这个螺旋形漩涡坠落,无限的坠落到那个奇点深处,这是一个很必然的事情,没有什么矛盾。

这就是黑洞能够把光吸住的原因,欢迎共同讨论。

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