为什么光能逃逸恒星,却不能逃逸同等质量的黑洞呢?

陈远山2


简单来说,因为恒星的表面逃逸速度远低于光速,而黑洞的表面逃逸速度是光速,所以光可以从恒星中逃逸出来,但不能从同等质量的黑洞中逃逸出来。

对于相同质量的天体,如果天体的半径更小,也就是说把相同质量的物质压缩在更小的空间中,那么,天体的表面重力也会更强。例如,把太阳直接压缩为半径与地球大小相当的白矮星,那么,这颗白矮星的表面重力是太阳的1.2万倍;它的表面逃逸速度是太阳的10倍,达到了每秒6200公里,相当于光速的2%。而如果把太阳直接压缩为半径只有10公里的中子星,那么,这颗中子星的表面重力是太阳的48亿倍;它的表面逃逸速度是太阳的264倍,达到了每秒16.3万公里,相当于光速的54%。不管是太阳、白矮星或者中子星,由于它们的表面逃逸速度低于光速,光可以从中逃逸出来。

但如果考虑极端的情况,把太阳进一步压缩,使得表面逃逸速度增加到光速,那么,光就无法从中逃逸出来,结果产生的天体就是黑洞,对应的半径只有3公里。根据广义相对论,黑洞之所以能够束缚住光,是因为黑洞表面之内的空间被极度弯曲,使得光无法从扭曲空间中脱离。


火星一号


光不能逃离黑洞说的是黑洞表面和一定范围内的光,无法逃离黑洞。

黑洞不仅质量大而且个头很小,这就大大增加了逃逸速度,这是被万有引力的公式所决定的。万有引力的大小与两个因素有关,与质量成正比,与距离的平方成反比关系。当质量保持不变时,质量的分布密度,就变得很重要。


要把整个恒星考虑成一个质点来吸引光或别的物质,就需要离恒星足够足够远,否则你不能简单的把整个恒星当成一个质点来计算它的万有引力。这就像处于地心时,物体其实是失重的,因为在这个位置,物体会受到四面八方的万有引力,它们会彼此给抵消了,此时不能再简单的将地球看成一个质点来进行计算。但在计算地球和月亮之间的万有引力,就不用考虑地球上的物质分布,可以简单将地球的全部质量当成一个浓缩在地心的点来进行计算即可,这是因为月亮离地球足够远了。

而黑洞和普通恒星相比,就具有巨大的区别。或者我们用地球来举例吧。如果把地球压缩到约9毫米那么大,地球也将塌缩成一个黑洞。但是,月亮依然会围绕这个黑洞地球运转,不会受到影响,但进入微缩地球7毫米范围内的物体将无法逃逸,光也一样。

图示:如果地球瞬间被压缩成一个黑洞,那么卫星和月球都不会受到太大影响。它们将继续围绕黑洞地球运动,并且逃逸速度也将保持不变。这是因为,我们在计算卫星的逃逸速度时,本身就已经默认将地球的所有质量都放到地心上去计算的。质量没变,距离没变,那么万有引力自然也不会变。


由于狭义相对论告诉我们有质量的物体都不能达到真空光速,因此我们可以通过公式计算出,黑洞周围存在一个区域,在这个区域内甚至连光都无法逃逸出去,这就意味着无论黑洞自己是否发光,以及任何照射进黑洞的光,都不会被黑洞表面反射回来。这就是黑洞这名称的由来。

图示:黑洞的理论推导,与史瓦西半径的发现有关。图中红色区域即是史瓦西半径区,在此区内,甚至光都无法逃出万有引力的吸引,所以历史上这样的理论推导出的怪物天体被命名为黑洞。现在,天文学家已经相当有把握的认定,黑洞是真实存在的天体,不再是理论计算出的怪物天体。


必须指出,太阳核心处产生的光逃逸出太阳的途径是非常曲折的,涉及到光的吸收和释放,通过一条极为曲折的路径,经历漫长的时间才能逃离太阳。但太阳表面产生的光子,则可简单而轻松的逃逸。太阳的直径与太阳压缩成黑洞后的大小,差异实在太大了,万有引力的大小,随着距离的增加而迅速减弱。



黑洞与史瓦西半径:白矮星、中子星和黑洞。

随着物理学对原子和天体的了解逐渐增多,这两个领域开始融合,比如白矮星和中子星的理论计算与天文发现。而1916年卡尔·史瓦西算出了如今大名鼎鼎的史瓦西半径,当物质的大小被压缩到该体积中后,就再没有任何已知的力,能够对抗万有引力,于是物质的基本结构崩溃,质量被缩减到一个奇点上。


这是一个几何意义上的无大小的点,当然这是理论计算,关于黑洞是否存在最小半径,现在还有所争议,比如普朗克黑洞,当物质的大小缩减到这么小的尺寸时,可能存在别的效应能对抗万有引力的压缩。


而这个史瓦西半径正是光速都无法逃逸的临界值,当然也将代表着巨大到夸张的万有引力,如此巨大的向内收缩的力量,将无法如白矮星和中子星那样找到能够对抗此种巨力的支撑力,于是物质的结构将完全破碎,而被压缩成一个真正的点,即所谓奇点。

图示:白矮星,是由简并态物质构成的小恒星。构成它们的物质不再是普通的原子,而是一种特殊的简并态物质,说简单点就还保持着质子、中子和电子还都存在着,但它们被紧密的压到一起,不在能形成传统的电子,它们的原子核彼此堆积在一起,这让白矮星的密度极高,一颗质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般大。

图示:中子星的自然形成需要大质量恒星。大质量恒星在生命的最后阶段开始向内塌缩时转变为一颗超新星,巨大的引力将电子都压进了原子核,将质子转变为中子。这样质子和质子之间的正电排斥力也就消失,中子彼此堆积成体积更小的中子星。其直径只有大约20公里,但却拥有大约1.5倍太阳的质量。如果质量更大,那么中子星将继续塌缩成黑洞。


图示:黑洞相互绕转时发出的引力波。

虽然,黑洞视界中连光都无法逃逸,但能量可以用引力波的方式被释放到宇宙中来,并被我们探测到。引力波是研究黑洞的新工具。


三思逍遥


莫把外国人说的当经典,头条科普大平台,别误导青年一代,黑洞有没有实际照片?天天热热炒,意义在那里,价值又几何?,浪费头条资源,整个星系运动源于宇宙能量,那来黑洞,白洞,虫洞,都是理论,且不一定正确,更无确切科学依据,实际就是谬论。


原黄烈平


引力的大小,不仅与质量有关,还与距离有关。

引力的公式是

F=G*M1*M2/r²

G是常数;M1,M2是质量;r是距离。

所以引力大小取决于质量和距离,光的质量可以认为恒定(应该是能量换算成的质量),星体的质量越大,距离越近就会有越大的引力。

恒星变成黑洞后,虽然质量不变,但体积减小了,也就是r减小了(这里的r可以认为是星体半径),所以会导致引力的增大。半径小到引力能拉住光,星体就变成了黑洞。

上述理由,可能会让人误解,觉得恒心内部靠近圆心的很小的空间内半径也很小,恒星质量也没变,为啥吸不住光?其实在内部,就没办法把外围的质量也算进去了,外围的质量会产生反向的引力,抵消了部分正向的引力,所以计算引力时,应考虑合力。

所以黑洞不是因为他重,而是因为他密度大。


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