03.06 中子星的表面重力是地球的7000亿倍,掉向它的物体能超过光速吗?

渼汐丶


什么是中子星?

中子星是恒星在演变过程中的一个末期星体,恒星由重力坍缩后发生超新星爆发之后,但是质量没有达到形成黑洞的情况下,会形成比黑洞密度小,比白矮星密度大的中子星。如果拿它与地球相比,那确实不是在一个数量级上。

中子星依靠简并中子压来实现静力学平衡。现在普遍认为,静态中子星的质量上限是2.2倍的太阳质量。而转动中子星的质量上限是2.9倍的太阳质量。超过这些极限,中子星将继续坍缩成为黑洞。

牛顿的经典力学

牛顿在20多岁时观察到了苹果从树枝上掉落在地上,由此他苦思冥想,终于发现并总结出万有引力定律。牛顿认为,任何两个有质量的物质之间都存在引力的作用,这个引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比。

用公式表达为F1=GM1M2/R^2,由此,我们可以计算一个中子星表面的引力大小为多少。假设一个中子星的质量为太阳的2倍,太阳的质量大概为1.9891×10^30千克,中子星的质量M1=2×1.9891×10^30kg=3.9782×10^30kg,中子星的半径取15km。取一个1kg的物质,那么约为这个物质在中子星表面所受引力约为F1=3.6×10^42N.与地球的表面的重力相比,差距很大,但是还没到7000亿倍。

掉向中子星的物质能超过光速吗?

首先,用爱因斯坦的相对论来说,宇宙中没有什么物质的速度可以超过光速,所以无论中子星的引力如何巨大,都不可能使物质的速度可以超过光速。但是杀鸡焉用牛刀,这个问题用牛顿经典力学就可以完全解决!

宇宙是一个复杂的系统,在中子星的表面做自由落体首先要不考虑其他星球引力的影响,因为宇宙中存在很多双星系统。所以不考虑其他天体引力的情况下,用牛顿的经典力学来分析的话,全宇宙任何一个地方相对于该天体零初速度释放一个有质量无动力的物体,让其无阻力自由下落,它撞击地面时的速度最快不会超过这颗星球的逃逸速度,原因就是最简单的机械能守恒——逃逸速度是地面扔出逃逸至无穷远,所以逆过程就是无穷远撞地也只能达到逃逸速度。所以这里不用考虑爱因斯坦的广义相对论,用牛顿的理论就可以断定中子星外围仅靠自由落体就让物体达到光速的。


科学认识论


中子星的表面重力是地球的7000亿倍,掉向它的物体能超过光速吗?

这个标题有没有夸张?可能在下决心计算下中子星的重力加速度之前,谁都没确定这个比例对不对,当然这也不难,我们来做个简单的计算即可。

上图是已经发现的中子星大小比例,左侧数字代表的是太阳质量倍数,绝大多数中子星质量在太阳的1-2倍之间,那么我们就以太阳的1.5倍计,中子星的半径大约在10至20公里之间,那么我们取值15公里左右,那么重力加速度为:

g=GM/R^2

将上述数值代入公式计算后得884486466666.67米/秒^2,大约是911亿倍,跟7000亿倍差的还是有点远,不过都几百亿倍了,也算是大致正确。

掉向中子星的物质的最终速度会超过光速吗?

计算出中子星表面重力加速度会那么大,着实吓了一跳,那么现实问题来了,假如有一个物体从遥远的位置向中子星掉落,它的速度会超过光速吗?这也不难,我们需要考虑几个因素

  • 重力加速度
  • 质增效应
  • 钟慢效应

在牛顿经典力学时代,我们只需要考虑重力加速度和掉落高度即可,因为最终速度计算公式为:

V=√2gh

这很容易计算,有高度和重力加速度即可计算出没末速度,但如此高的重力加速度下,远未达到1S时就超过了光速,但到这样的环境我们却不能如此草率考虑问题,因为帮牛顿经典力学缝缝补补的广义相对论告诉我们,在中子星周围我们不能将事情考虑得那么简单。

广义相对论认为,引力质量在时空中的表现方式,请注意引力只是表现,而本质却是质量对时空的扭曲程度,与牛顿的绝对时空观不一致的是,广义相对论认为时间在宇宙的很多角落都不一样的,这个不一样是因为受到附近巨大质量体的影响。

上图是质量对周围时空影响的示意图,每个节点的时间影响程度是不一样的,那么我们可以计算下案例中的那颗中子星表面时间交换程度。

计算得这颗中子星表面的时间大约相当于外界的0.83倍,即外界过了一天,中子星表面大约过了0.83天,当然另一个效应则是质增效应,重力势能会被质增效应所消耗,而让重力加速度无法达到光速。因此各位所想的速度超过光速是不能的哦。

上图公式是天体的逃逸速度计算公式,将上述质量代入计算得中子星的逃逸速度为16.29万千米/秒,大约是光速的一半多点。

掉向中子星的物体接近光速会怎么样?

它为什么会达到接近光速我们就不考虑了,假设即可!首先一个自然掉落的物体会直直落向中子星吗?就像瞄准了中子星一样击中它,理论上来看完全存在这种可能!

但这种可能性极小,这就是我们看到那么多天体存在吸积盘的原因,因为物体在掉落过程中会受到太多的因素影响,而成为环绕质量中性公转的吸积盘。

阿塔卡马毫米波/亚毫米波发现的原始行星积盘,这就是物质在掉落质心过程中形成的环绕运动,当然我们得感谢这个干扰造成的积盘,因为太阳系里每一个成员都是这么形成的,否则人类也不会存在。

我们继续假设向中子星掉落的速度接近光速时,很简单,只要不是直直的撞上中子星,那么它将从中子星引力的魔掌下逃逸,因为只要16.3万千米/秒的速度即可从刚我们作为案例的1.5倍太阳质量,15千米半径的中子星上逃逸,接近光速的物体逃逸那是在是太简单了。所以我们能观测到中子星的电磁辐射,而对于黑洞,除了观测其吸积盘的电磁辐射外,其他就只有引力了(还有角动量与电荷,不过极难观测)。


星辰大海路上的种花家


这仍旧是通过各种假设变相地“超光速”的问题,网络上有很多类似这样的问题,比如一个小孩在光速飞船上奔跑是不是超光速了呢?

不管中子星的表面重力是地球的多少倍,中子星对于掉落的物体会有引力,而引力也是一种力,本质上与火箭升空时的动力并没有区别,只是比火箭的推动力大很多罢了,引力其实就等同于用一根绳子一直拉拽物体,与“给飞船持续的巨大推动力”是一样的。

这里我们需要明白相对论中为何会出现“光速限制”,任何携带能量或者信息的物体都无法超越光速。并不是相对论是错的或者对的,一切都基于一个重要前提:光速不变原理。

光速不变原理是一个假设和前提,爱因斯坦通过这个假设(还有另一个假设)提出的相对论,只要这个假设没错,相对论就不会有错,光速就不会被超越。

而光速不变原理本身就无所谓对错,因为它本身就是一个假设,假设它是对的,也可以认为就是一个公理,公理不需要证明,当然你可以去证明。比如两点之间直线最短就是一个公理,就不需要证明,你可以用“狗会沿直线追骨头”去证明!

说了这么多,并非与问题没有关系,恰恰说明了相对论为何有“光速限制”,任何再大的力量都不可能让物体超越光速,因为光速不变原理的存在,速度越快质量就越大,需要无穷大的能量才可以让物体达到光速,这当然不可能,超越光速就更不可能了!


宇宙探索


题主所问中子星表面重力极大,达到了地球的7000亿倍,掉向它的物体能否超过光速?答案是否定的,永远不可能超过光速。

先来看一下什么是中子星

之前我有个回答,就是介绍恒星寿命的,有兴趣的朋友们可以参考一下。简单的来说,恒星在生命的末期,

中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的,质量小的恒星,可能演化为白矮星;质量较大的恒星经过超新星爆发能够形成中子星,质量更大的能够形成黑洞。据测算,当处于老年期的恒星质量大于10个太阳质量时,就有可能演变为一颗中子星。

对于大质量的恒星,从恒星状态到中子星状态的演化过程可以简单的描述为:当恒星内核的氢在核聚变反应中消耗将要完毕后,恒星内部温度和压力达到氦聚变为碳的条件时,剩余的氢和新生成的氦都开始发生聚变反应,恒星体积逐渐膨大,如果质量更大的恒星,其内部会继续发生碳和更重元素的核聚变反应,一直持续到铁为止。当恒星膨胀到一定程度之后,相应内部的铁也积累到顶峰,恒星内各种核聚变反应就都会停止,向外的辐射压消失,只剩下对外围的引力作用,恒星周围的物质就会以极高的速度被吸进恒星内核,这就是被科学界称为的“恒星塌缩”。随着大量外围物质向核心坠落,强大的动能碰到内核以后会释放极高的热能,引发超新星爆发,抛洒出大量比铁还重的金属物质,同时内核继续压缩,将原子核外层的电子都压入到了原子核内,与质子结合形成中子,中子的数量逐渐增加后,其中子流体压力与向内的塌缩引力相平衡后,稳定的中子星就这样逐渐诞生了。

中子星的特征

由于中子星是由于恒星的塌缩而形成,有人把中子星看作是黑洞的临界状态,但它和黑洞还有本质的不同。中子星的主要特征有:

超高的密度:经估测,其密度约为水的10^14次方,与原子核内部密度大体相同。中子星上每立方厘米的物质,其重量可达到十亿吨之巨。

有限的质量:由于中子星是由恒心演化而来,而且在形成的过程中有大量的物质被抛洒出去,所有其质量要比原来的“母体”恒星还要轻。目前观测到的中子星,经过有关计算验证,其质量存在上限,相当于2倍以内的太阳质量,同时也存在下限,相当于0.1个太阳质量。


超强的磁场:经估算,中子星的磁场强度可达到10^12高斯,而地球磁场强度才有500毫高斯,两者相差12-13个数量级。在强大磁场的作用下,中子星在高速自转的同时,会发出强大的射电波束,在地球上我们用射电望远镜可以观测到这种“脉冲”现象。

中子星表面重力加速度和引力的区别

中子星表面的确有极大的重力加速度,但这个加速度的产生,并非来自于中子星的质量,而是由于恒星塌缩引起的,根据重力加速度公式g=GM/(r^2),中子星的超高重力,仅会存在于中子星表面的一个很小的空间内,而且会随着高度的降低而按照距离的平方进行衰减,也就是说只有在物质撞击中子星内核时才会获得极高的速度。

最高速度大约能有多少

有的科学家通过计算,中子星的逃逸速度大约为0.3-0.5倍光速,可以简单地设想一下,通过能量守恒定律,既然这样的速度区间可以逃逸中子星的引力,那么反过来物质在坠落过程中达到的速度也估计就是在这样的区间以内。

我们可以初步地应用引力势能公式E=-(GMm)/R来计算距离中子星表面一定数值的物质的引力势能,那么就可以求出到达中子星表面的引力势能差,然后再应用相对论中的动能公式Ek=(r-1)*mc^2,通过引力势能差与Ek值相等,我们可以计算r的值,从而推导出最终物质撞击中子星内核的速度,我粗略地算了一下,这个速度大约为光速的35%左右,这个计算过程还需要进一步的检验其正确性与精确性,毕竟我这方面不是太专业,仅用学习到的有关知识进行了一下推理,不足之处还请大家关注留言批评指正。


优美生态环境保卫者


实际上,这个问题很明显,我们都知道爱因斯坦的相对论有两条假设,其中一条就是光速不变原理,通过光速不变原理,我们可以得到在我们的宇宙中物质、信息、能量的传递不可能超过光速。

因此,无论中子星的引力如何巨大,都不可能使物质的速度超光速。具体是为什么呢?

我们可以先从中子星说起。

中子星

中子星是宇宙中极其恐怖的天体之一,是属于仅次于黑洞之外的那种恐怖。那中子星到底是咋来的呢?

我们要从原子结构说起,我们初高中经常会看到下面这种图这样的原子结构。

实际上,这样的原子结构是有问题的,也常常误导了很多人。这里最大的误区是电子和原子核的大小。上世纪早期,有个叫做卢瑟福的人做了一个α粒子轰击金箔的实验。

他发现,几乎所有的α粒子就直接打穿了,只有极其少的会发生偏折。那这个告诉我们什么呢?

这说明原子内部几乎是空心的。原子核和电子其实小到我们无法想象的程度,如果原子有足球场那么大,那么原子核就只有蚂蚁那么大。因此,真实的原子模型接近于下面这样,外面这圈黑影是电子云,电子也不是绕着原子核转的,而是以概率云的形式出现。

这样的结论就带来一个问题,物质都是由原子构成的,原子几乎是空心的,这说明物质也几乎是空心的。也就是说,理论上存在足够大的引力,是有可能把电子压入原子核内,让原子核排排座,挨在一起,这样原子内的空间也就被挤压没了。那真的存在这种情况么?

还真有,中子星就是这样的存在,如果一颗恒星大于10倍太阳质量,在它生命的晚期,内核在引力的作用下收缩,由于这时候的核心一般都是铁原子核构成的,很难发生核反应。

但由于内核的温度特别高,常常要达到50亿度,于是,光子拥有足够高的能量,就会击碎原子核,释放出自由的质子和中子,质子和电子发生反应生成中子和中微子。然后,在引力的作用下,这些中子被束缚到在一起,成为了一颗中子星。

中子星的密度之所以特别大就在于构成它的大部分是中子,而不是原子。中子之间是有一些距离,但远不如像原子之间和原子内部的空间。这些空间在中子上都不存在,所以中子是极其致密的,一勺中子星物质大概得有10亿吨。

根据广义相对论,引力的本质是时空的弯曲,由于中子星这样的致密度和质量,因此,中子星能让空间极度扭曲,而宏观上我们看就是引力特别大。

但我们要知道的是,引力理论上是没有范围的,但是它衰减的也很快,否则,只需要一颗黑洞,我们全宇宙都会被吸进去。所以,每个天体都有自己的引力范围。比如,我们的太阳系,太阳的引力范围大概是2光年的样子。

也就是说,中子星不可能把一个物体从无限远开始加速,而只能在一定的距离内给这个物体加速。

其次,我们只要仔细想一想就能知道,有一类脉冲星是中子星,我们可以实实在在地观测到脉冲星的信号,说明光是可以从中子星上跑出来的。(你可能会觉得很正常,但你想想黑洞就知道了,黑洞是可以吸引光的)

如果中子星真的有本事把物体加速到光速,那这个物体达到光速之后就可以摆脱中子星的引力束缚,也就是说,一个物体跑到中子星周围再出来,竟然额外得到了巨大的动能,那中子星岂不是可以当永动机来用,没了能量就让一个物体去走一趟,就能得到能量。这其实是不合理的。因为按照能量守恒定律,这一出一进本应该是不会或得到额外的能量的,所以这就自相矛盾了。

光速不变原理

当然,刚才我们只是从中子星自身来这个问题,实际上,我们还可以从相对论来入手。通过相对论进行推导,我们可以得到一个运动物体的质量的表达式,就是下面这样。

其中,这个m0代表的是物体静止时的质量,而m代表的是物体动起来后的质量。我们可以来仔细看一下分母的根号下的表达式,1-(v/c)^2,如果v>光速c,那么下面的分母就是负数,而我们知道负数开根号其实是复数,在实部没有意义。

我们还可以利用动能定理和一点微积分的数学工具,得到物体的动能表达式

根据这个表达式,我们至少能够得到两个结论:

如果,物体的静止质量m0=0,那么它就可以达到光速。

如果,物体的静止质量m0≠0,那么它就只能小于光速。如果要把一个静止质量不为0的物体加速到光速,那所需要的能量就是无限的。

目前来看,光速不变原理还是十分坚实的,100多年来,虽然科学家想尽一切办法要证明这个理论,但我们依然没能发现任何物质、信息、能量超过光速的情况


钟铭聊科学


答:不能,中子星强大的引力可以让掉入它的物体接近光速,但是不可能超过光速。


大质量恒星在演化末期有可能发生超新星爆炸,如果爆炸后留下的核心质量在1.4~3倍太阳质量之间,就有可能形成一颗中子星,比如距离地球最近的中子星代号为“1RXS J141256.0+792204”,距离地球250~1000光年。

中子星拥有极端的性质,比如:

(1)极高的密度,密度高达10亿吨每立方厘米,相当于把地球压缩成直径22米的球体。

(2)引力超过地球的1000亿倍。

(3)超强的磁场,2018年日本在实验室制造出1200特斯拉的超强磁场,是地球磁场的30多万倍,而某些中子星的磁场,可以达到1000亿特斯拉;如果中子星的磁极和自转极点不重合,就会产生周期性的射电波,如果射电波扫过地球,这颗中子星就成了脉冲星。


那么中子星强大的引力,可以把掉入中子星的物质加速到光速吗?

答案当然是否定的,由于相对论的光速限制,掉入中子星的实体物质不能达到或者超过光速。中子星强大的引力足以让光线发生明显弯曲,在这样的强引力下,牛顿力学已经不再适用,需要使用相对论来诠释。

这时候计算物质落入中子星的速度,只需计算物质在未落入中子星时的引力势能即可,以中子星表面为零势能点,物体的引力势能肯定是有限值,此时计算物体动能将用到相对论动能方程。

物体要加速到光速,所需的势能是无限的,所以物体掉入中子星不可能达到或者超过光速。更严谨的计算表明,中子星表面的逃逸速度高达光速的30%~50%,这其实也是静止物体掉入中子星时的速度。


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艾伯史密斯


前面朋友已经明确回答,不能。时空通讯的回答也是不能。光速不可超越存在于我们宇宙的一切方面,是我们宇宙至今没有突破的理论,凭想象只是扯淡。

中子星表面重力极大,一颗典型的中子星表面重力加速度约g=10^12m/s^2,而地球表面重力加速度为g=9.807m/s^2,也就是中子星表面重力是地球的约万亿倍。

尽管如此,其表面逃逸速度也达不到光速,一般会达到光速的50%以上,也就是每秒15万公里,这已经是非常惊人的了。

在这样的重力下,如果一个70公斤的人被中子星的引力捕获,将以每秒15万公里以上的速度冲向中子星,形成的冲击力达到2亿吨核爆威力,相当于人类制造最大氢弹~5000万吨级沙皇炸弹4颗同时爆炸。

中子星是一种极端的天体,直径只有20公里左右,却浓缩了太阳质量的1.44倍以上。要知道太阳直径为139.2万公里,其表面逃逸速度只有617.7公里。

由此可以看出天体浓缩得越小,其表面就越接近中心质点,引力重力就越大;如果缩小到其史瓦西半径以内(事件视界以内),引力就会变得无限大。

这个时候那里的逃逸速度才会大于光速,一旦掉入其中的物质当然也就会达到或超过光速。

这种天体就是黑洞。

黑洞的实质是中心一个无限小的奇点,已经没有体积。在奇点的周围形成一个被引力场无限控制的空间,这个空间的大小与质量成正比,这个空间就是这个天体质量的史瓦西半径,其计算公式为:Rs=2GM/c^2

其中Rs为天体的史瓦西半径,G为万有引力常数(G=6.67×10N·m/kg),M为天体的质量,c为光速。


一个1.44倍太阳质量的中子星,其史瓦西半径约为4.3公里,而一般中子星半径都在10公里以上,这个体积范围还远远大于其质量的史瓦西半径。

这样中子星不可能形成抓住光速的引力场,受其引力拉扯掉到其上面的物质当然无法达到光速。

因此在中子星重力场影响范围内,物质运动依然遵循爱因斯坦光速不可超越理论,无法达到光速,更无法超越光速。

就是这样,欢迎讨论。


时空通讯


不会,理由如下:

设距中子星O无限远处有一点P,一质点M由点P向中子星O作自由落体运动。

己知中子星无法捕捉光,即中子星逃逸速度小于光速c,则质点从中子星逃逸时需要能量E有限大。

则质点M向中子星自由落体时获得动能E有限大,则它向中子星自由落体时速度不会达到光速c。


七十九杯清茶


这种什么中子星、7千亿倍的宏巨题目,本由爱因斯坦、霍金等巨人们研究的、高大上的议题,小的不敢胆大妄为。但为了避免打击悟空问答热情邀请的积极性,不得不像小鸡拉硬屎那样硬撑着说几句。本人觉得人类当前已经认识到的境界,没有其它物体运动的速度能超越光的速度,但不等于没有可能性。其理由是:人们对客观事物的认识永远没有完结。


诚心诚意7234


掉向他的物体是不可超越光速的,一颗中子星的逃逸速度大约在10,000至150,000公里/秒之间,也就是可以达到光速的一半。换言之,物体落至中子星表面的最大速度将达到150,000公里/秒。


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