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是谁预言了黑洞存在?人落入黑洞后为什么还能看到前方的光?

在人类拍摄到首张黑洞相片的发布会上,主持人曾说过一句话:“爱因斯坦又对了”。因而,坊间撒播是爱因斯坦预言了黑洞,但其实爱因斯坦并没有预言黑洞的存在,他仅仅创立了广义相对论并给出了引力场方程,随后依据引力场方程预言了引力波。

黑洞其实是在爱因斯坦给出引力场方程后的第二年,由正在一战战场上执役的德国天文学家卡尔·史瓦西求解引力场方程时得到的。

爱因斯坦在推到引力场方程时运用了张量的方法,尽管外表上看起来引力场方程十分简略,只需一个方程,下图是包含国际常数项的引力场方程:

但实际上它是极端杂乱的,包含了十个非线性偏微分方程组,即便直到具有强壮核算机的今日,要准确求解引力场方程都十分困难,大部份情况下都是选用近似方法求解的,包含咱们比较了解的LIGO激光干与引力波天文台所运用的数值模型都是运用后牛顿近似得到的。

因而,在广义相对论刚宣布的时分,爱因斯坦就断语引力场方程没有准确解,只需近似解。可是没多久,史瓦西就打破了爱因斯坦的这个魔咒,他在静态球对称的初始条件下得到了一个准确解,便是以他的姓名命名的史瓦西解。

史瓦西解标明,静态非自转的球形天体外部的引力场只取决于该天体的总质量。而史瓦西一起在史瓦西解中得到一个公式:史瓦西半径公式。

这一公式反映了静态球对称天体半径、质量和光速之间的对应联系。依据史瓦西半径公式,当单位半径的非自转的球形天体质量到达一个阈值,它的外表逃逸速度就会到达光速;反过来,当单位质量的非自转球形天体的半径小于一个阈值,它的外表逃逸速度相同也会到达光速。

当发生这样一个外表逃逸速度到达光速的天体的时分,它对外部国际是不行见的,因为依据相对论,没有任何信息和粒子运动的速度能够超越光速,因而也就没有任何信息和物质粒子能从这个天体里逃逸出来。后来,这种不行见的天体被称为黑洞。

咱们现在知道,黑洞是由广义相对论预言的一种不发光的特别天体,但其实早在广义相对论提出之前,就曾有人依据万有引力理论预言过相似的天体。

在18世纪末,英国科学家米歇尔和法国数学家拉普拉斯别离依据牛顿万有引力定律提出,当一个天体的外表逃逸速度到达了光速,光就无法从其外表脱离,咱们将看不到任何从其外表辐射出来的光,因而,这个天体是不行见的,他们给这种天体起了一个形象的姓名:暗星。

有一件十分风趣的工作,便是牛顿理论下核算的暗星跟爱因斯坦理论下核算的黑洞的半径与质量联系是相同的,也便是在相同的质量下,两者得到的黑洞半径是彻底相同的!

是不是很意外?其实只需你比照逃逸速度公式和史瓦西半径公式,你会发现只需把逃逸速度公式里的v换成光速c,然后移一下项就得到了史瓦西半径公式……

尽管它们在黑洞半径上的核算结果是相同的,但它们的物理含义却彻底不相同。

在牛顿引力理论下的暗星仍然具有物质的外表,仅仅它所宣布的光无法逃逸到无量远处,而是逃离一段距离后就会沿抛物线落回星球的外表。注意到了吗?它的外表实际上不是全黑的,当你向暗星接近,你能看到部分还衰败回去的光,因而它不叫黑星,而叫暗星。

但爱因斯坦广义相对论下的黑洞不相同,因为引力坍缩,黑洞无法坚持一个物质外表,它的视界仅仅一个临界面,实际上它的外表——视界面上什么都没有。而在视界上,光并不像牛顿理论中相同能够沿抛物线脱离视界一段距离后回落,视界面是一个具有单向性的临界面,在视界面上光的运动只需一个方向,便是指向黑洞中心的奇点,因而不管你离视界多近,都无法看到视界上宣布的光。

不过有一种情况下你能够看到视界里的光,便是当你以自由落体落向黑洞的进程中,你能看到在你前面落入黑洞的物质所发的光。

最近科幻大片《星际穿越》正在国内重映,我们有看过这部硬科幻电影的人或许会对男主角库珀落入黑洞的进程有形象,当库珀在下落的进程中,它看到在它下落方向的前方传过来的光。

?那其实是在他前面落入黑洞的物质所反射的光,那些光是从库珀的后方超越了库珀后追上了他前面的物质,然后被前面的物质反射,这些反射的光并非向外射向黑洞外,而是相同在落向奇点的,仅仅因为方向的原因,库珀下落的速度超越了它们。因而,是库珀在急速下落进程中撞上了前面相同在下落中的光。详细原理见图:

广义相对论下的黑洞是个独特的天体,它有许多独特的性质,我们想了解更多,能够翻看我前面的文章,也欢迎重视我——星宇漂荡。

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