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  • 1 # 使用者7940758468567

    如果只是簡單的解釋的話,“黑洞是引力大到光都逃不出來的天體”就夠了。

    孩子求知慾較強的話,建議向他解釋廣義相對論。

    廣義相對論中引力的定義

    一個有質量的物體,會使它周圍的時空發生彎曲,在這個彎曲的時空裡,一切物體都將自然地沿測地線(也叫做“短程線”)運動,而表現為向一塊靠攏。我們看不到時空的彎曲,只看到物體在互相靠攏,就認為它們之間存在著一種“萬有引力”,實際上物體之間表現出來的這種萬有引力,並不是一種真正的力,而是時空彎曲的表現。

    難以理解四維時空中測地線的概念的話,可以給孩子做一個簡單的實驗。

    四維時空的彎曲我們不好想象,但是可以降一維(在二維平面上)做個比喻。設想有一塊布把它懸空展平,上面放一個小球,它就會把布壓彎,在另一個地方再放一個小球,它也會把它周圍的布壓彎。我們看到,這兩個小球就會自然地向一塊靠攏,這是它們在沿各自的測地線運動的結果。我們看不到布的彎曲,只看到小球在向一起靠攏,就說它們之間有個引力存在,其實它只是時空彎曲的表現而已。

    或者這張圖:

    結合光速不變性原理,可以簡單的認為,真空光速是時空的標準單位。

    光速受引力的影響變慢,可以認為是由質量引起的時空扭曲,導致空間變長,時間變慢。

    而黑洞就是其中的一種特殊情況,時空中某些區域極度扭曲,以至於光都無法逸出。以視界為界,黑洞內部的時間無限慢(靜止)。

    以上說法並不完全準確,為了便於理解簡化了許多概念。

    即便如此,對孩子而言,想要理解依舊有一定難度。

    但我認為,與其模稜兩可地糊弄孩子,不如給出一個正確卻略顯複雜的答案。

    哪怕他們暫時無法理解,但至少這能引導他們樹立正確的科學觀。

  • 2 # 量子科學論

    我們知道引力以光速運動;如果是這樣的話,那麼黑洞的影響如何能延伸到事件視界之外呢?也就是說,引力是怎樣逃離黑洞的?如果說引力以不同於光的方式‘移動’,那它為什麼會以同樣的速度傳播呢?

    其實這個問題很簡單,只是有些概念搞混了。引力並不是從黑洞逃離的,這裡有個錯誤的概念,我們認為引力是由質量物體產生的,那質量物體為什麼要產生萬有引力呢?其實這個問題愛因斯坦已經給出了答案:它們不會直接產生萬有引力,而是質量物體會扭曲時空,而扭曲的時空是產生引力的原因。記住,引力是扭曲的時空提供的,不是質量物體直接的結果。其實說到這裡答案已經很明顯了,你覺得呢?

    引力為何能逃離黑洞?

    關於質量/能量物體是如何影響時空的。通常我們會看到二維平面的表示,比如地球周圍的空間,就像上圖那樣。或者我們也會看到這樣的解釋,引力就像一個保齡球放在一塊橡膠薄板上,較重的物體在薄板上會造成較深的凹痕。

    這些二維平面的比喻過於簡化,因為這些凹痕發生在各個方向上,所以“凹痕”實際上是空間本身的三維扭曲。就像上圖那樣!但這些簡化的圖景說明了一個重要的問題:從根本上說,質量對空間本身會造成一種扭曲。我們經常用“引力井”這個詞來描述空間的扭曲程度。

    從數學上講,引力的影響與物體的質量成正比,與距離的平方成反比。這種與距離平方反比的關係就產生了遠離物體中心平滑的引力曲線(上圖)。如果你離目標越近,引力井越深,因為質量物體會對附近空間扭曲的更嚴重,所以你會感覺到很強的引力。如果你離得很遠,那麼質量物體對空間的影響就越小(平方反比方式減小),所以你感受到的引力更弱。

    上圖,不管質量物體以何種形式存在,空間扭曲都會一直存在,只是扭曲程度不同而已,黑洞的引力井更深、更陡。而引力正是由空間扭曲產生的。跟黑洞沒有直接的關係。因此,也不存在逃離黑洞這麼一說。

    一個質量物體對空間的扭曲總是存在的,例如,所有的行星都會對自己所在的空間產生扭曲,衛星在扭曲的空間中以橢圓軌道執行。太陽也有它自己更深的引力井,所有的行星都在圍繞著扭曲的空間執行。太陽的運動又遵循著星系的空間扭曲。關鍵的一點是,質量物體不論以何種形態存在(恆星、中子星、黑洞),對空間的扭曲會一直存在,只是空間扭曲的程度不同而已,天體會隨著密度的增加對其周圍空間的扭曲就越嚴重,引力井會更陡。一塊小氣體雲的質量可能與行星相同,但行星的引力井將比氣體雲更陡。引力井越陡,就需要越快的速度逃離,但要形成黑洞就需要極大的質量、也需要極高的質密度。

    黑洞的視介面正是描述了,如果超過這個位置,黑洞的引力井甚至不允許光逃脫。但引力井本身就存在於事件視介面的內外,在事件視界之外空間只是扭曲的不那麼嚴重了而已,並不是說在視介面之外,空間就平坦了,不再扭曲了,因此在視介面之外引力會一直存在。

    能形成黑洞的恆星是質量最大的恆星,它們一般是藍色的,溫度極高,並且消耗燃料的速度非常快。這些恆星在成為黑洞之前,空間就已經變形了。恆星坍縮成黑洞時,其核心收縮、空間扭曲會變得更加強烈,這是一個緩慢轉變的過程。

    那引力為什麼在光速極限下的“運動”呢?

    這個問題可以分開考慮;雖然引力可以在無限的時間內傳播到無限遠,也就是空間的扭曲在不停的向外傳播,其扭曲程度隨距離平方的反比在減弱,但是光速限制了關於變化的資訊在空間中的傳播速度。

    最常見的例子是,如果太陽自發消失(不是爆炸,而是完全消失)地球不會感覺到任何不同,直到大約8分鐘後,才能看見Sunny消失了。但地球也將繼續圍繞著不存在的太陽公轉8分鐘,因為由於太陽的存在,空間從扭曲到平坦的變化還沒有到達地球。如果我們認為光速是資訊傳播速度的極限,而不是粒子速度的極限,那這個問題就更容易理解了。

    然而,資訊並不總是以光速傳播,這取決於資訊所經過的環境,以及資訊的形式(並不總是光),資訊傳播的速度可以比光速慢得多。真空中的光速似乎是一個無法超越的極限,但如果資訊是像聲音一樣的壓縮波,那麼資訊在介質中就以聲速傳播。

    想象一下打雷天,我們一般會在打雷幾秒鐘後聽到雷聲。因為光在空氣中傳播的速度比聲音快,所以即使它們是同時產生的,也是光資訊最先到達我們,而你離得越遠,這種差異就越大。

    光速在水中甚至比在空氣中還要慢(慢1.3倍)。實際上,介質越密集,光在其中傳播的速度就越慢。

    現在回到引力速度!空間扭曲形狀的改變也是在介質中傳播的資訊,而這個介質就是空間,它幾乎是一個完美的真空,所以引力就會接近絕對資訊速度的極限。據我們所知,引力的作用方式不會在真空中減速,所以它也應該以光速傳遞資訊。如果聲音能在真空中傳播,那麼它也會是光速。

    引力其實是最不容易被理解的自然力之一;我們對引力的重要性有很好的描述,對引力的強度也有很準確的描述,但我們不知道引力是如何運作的。它是如何與物質相互作用的。是否存在一個粒子來調節它的相互作用?這個問題需要以後來回答。

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