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1 # 媽咪說MommyTalk
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2 # 一點科技工作室
我們都知道牛頓第二定律的公式:
F合=ma
m是物體質量
a是加速度
F合是物體所受的合力
第二定律內容:物體的加速度a跟物體所受的合外力F成正比,跟物體的質量m成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。
這個定律的適用範圍:
(1)只適用於低速運動的物體(與光速比速度較低)。
(2)只適用於宏觀物體,牛頓第二定律不適用於微觀原子。
(3)參照系應為慣性系。
第一個問題:F合=ma的適用問題,研究物件速度要比光速低。那麼,黑洞的引力對物體施加的速度會比光速低麼?根據愛因斯坦相廣義和狹義相對論原理可以得出,光速不變原理和光速不可被超越原理.顯然這個問題沒有答案,在黑洞引力上,F合=ma不適用,如何知道加速度a是多少?
第二個問題,參照系是否為慣性系的問題。
我們研究物體的加速度a的時候,必定選擇一個慣性系統為參照物。比如研究地球上自由落地的運動,參照慣性系只能是地球這個固態座標,而不是以太陽系(太陽對地球有引力,地球對物體有引力,物體也有受到太陽的引力)為慣性系,很複雜。這時候以地球為參照系的物體,自由落地運作的加速度就等效於地球重力(引力和向心力的合力)施加給物體的加速度g(G=mg)。
第三個問題,黑洞視界上的引力是萬有引力,公式為:
ma=GM/r^2=F/m
F表示萬有引力N
m為受到加速度物體的質量kg
M為黑洞質量
a為加速度m/s^2
r為黑洞與物體的距離
ma = F/m = G*M/r^2
萬有引力常量G = 6.67259×10^-11 (N·m^2)/(kg^2)
這個公式中,萬有引力F大小未知、黑洞質量M未知、r距離未知,按照數學代數邏輯運算,再轉換結合牛頓第二定律F合=ma,題主的問題,根本沒法計算。
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3 # George238777447
黑洞的引力。個人認為和颱風的風眼是一個道理。風眼中心,就是什麼也沒有風平浪靜。但是風眼的邊緣因為大質量星體約聚集旋轉而形成強大的引力。像這種大的天體去定量分析加速度,毫無義意。因為幾乎所有資料都不1OO%準確。拿這些毛沽沽約資料來算還不如猜想更按近是實。
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黑洞的種類有很多,廣義相對論引力場方程每一個解都有可能是一種黑洞。按照我們尋常說的黑洞屬於史瓦西黑洞,史瓦西黑洞的視界半徑近似等於史瓦西半徑。
現在我來說說什麼意思。史瓦西半徑是根據天體的逃逸速度計算的,天體的逃逸速度公式:
其中v則是天體的逃逸速度,G是萬有引力常數,M是大天體質量,R是質心距離。這個推導過程大家自己去查一下吧。
當某個天體的質量足夠大的時候,其他物體的逃逸速度會達到一個臨界值,也就是光速。所以我們可以用光速c來替換公式中的v,推匯出史瓦西半徑公式。即:
Rs就是史瓦西半徑。什麼含義呢?
當一個天體質量足夠大的時候,在其史瓦西半徑內連光都無法逃逸。這種天體叫做史瓦西黑洞,其史瓦西半徑就叫做這個黑洞的視界。好像有點跑題了?沒有!恰好處於史瓦西黑洞視界邊緣的加速度可以用萬有引力公式和史瓦西半徑公式得出。
根據玩有引力公式:
公式中R用史瓦西半徑替換可得出加速度a:
這只是經典力學的近似結果!因為史瓦西黑洞的視界範圍嚴格來講不等於史瓦西半徑,因為還要考慮自轉等其他因素。不過我們可以大致看出這樣的結論。越靠近黑洞質心,加速度會達到無限大。
PS:實際上對於黑洞的研究我們需要考慮四維加速度,即黑洞的表面引力,其熱力學含義是黑洞的溫度。
媽咪叔專注通俗易懂趣味科學科普。科學的基本觀念本質上大都很簡單,通常都可以用人人皆知的語言來表達。——愛因斯坦