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引力是如何逃脫黑洞的
沒(méi)有什么能超過(guò)光速，而黑洞能陷住包括光在內(nèi)的一切東西。
那么，引力是如何逃脫黑洞的呢?這個(gè)問(wèn)題很有趣，這能讓大多數(shù)人真正理解引力。
答案是，引力的作用方式并不是一般人所想的那樣。
對(duì)于引力最直觀的認(rèn)識(shí)無(wú)外乎這是兩個(gè)物體之間的作用力。
例如，地球?qū)υ虑蚴┘右�，而月球�(qū)Φ厍蛞嗍侨绱恕?/p>
牛頓在發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律時(shí)，就使用了這種引力的“力學(xué)模型”。
直到1900年代早期，這才被確定為引力理論，至今我們?nèi)栽谑褂谩?/p>
但在構(gòu)造這個(gè)引力模型時(shí)，使用了一些假設(shè)。
假設(shè)我們有一個(gè)只有單一質(zhì)量的宇宙。
想象一個(gè)朝四面八方延伸的空間，所有質(zhì)量都集中在其中心，我們記為A。
那這樣的質(zhì)量是否具有引力?如果引力只是一個(gè)物體與另一個(gè)物體之間的相互作用力，那么這個(gè)答案就是否定的。
沒(méi)有其他的質(zhì)量能給A施加引力，所以沒(méi)有引力。
如果在這個(gè)宇宙中增加一個(gè)質(zhì)量，記為B，那么B和A將會(huì)互相施加力的作用，這樣引力就會(huì)存在。
但引力只存在A和B之間，而宇宙的其他空蕩地方則就沒(méi)有。
這個(gè)力學(xué)模型存在的一個(gè)問(wèn)題就是它需要質(zhì)量跨空間對(duì)另一個(gè)質(zhì)量施加力的作用。
這個(gè)“超距作用”的問(wèn)題由法國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在1800年代早期部分解決。
他的想法是，質(zhì)量肯定是通過(guò)某種能量與另一個(gè)質(zhì)量產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，他稱(chēng)之為場(chǎng)。
另一個(gè)質(zhì)量把這種場(chǎng)感受為一個(gè)作用于它們身上的力。
所以如果我們?cè)俅蜗胂笠粋�(gè)孤獨(dú)宇宙中的質(zhì)量A，我們會(huì)說(shuō)A有一個(gè)圍繞著它的引力場(chǎng)，即使宇宙中沒(méi)有其他質(zhì)量。
這消除了超距作用的需要，因?yàn)楫?dāng)我們把質(zhì)量B放入到宇宙中時(shí)，它只是感受到這個(gè)位置的引力場(chǎng)，并受到引力的作用。
我們知道這個(gè)引力場(chǎng)是由于一些距離外的A，而B(niǎo)只是感受到在其位置有一個(gè)引力場(chǎng)。
這個(gè)力學(xué)模型和牛頓萬(wàn)有引力的引力場(chǎng)模型都給出了相同的預(yù)測(cè)，所以在實(shí)驗(yàn)上這二者并無(wú)區(qū)別。
然而，場(chǎng)的概念更容易用數(shù)學(xué)來(lái)處理，并且場(chǎng)也被用來(lái)描述電和磁之類(lèi)的東西，所以我們一般把牛頓引力視為一種場(chǎng)。
但這又會(huì)引發(fā)另一個(gè)問(wèn)題。
假設(shè)在A和B的宇宙中，我們突然改變A的位置，那B感受到這個(gè)改變需要多長(zhǎng)的時(shí)間呢?換言之，如果我們改變了A的位置，這個(gè)改變將會(huì)以多少速度在引力場(chǎng)中傳播呢?當(dāng)拉普拉斯思考這個(gè)問(wèn)題時(shí)，他發(fā)現(xiàn)引力場(chǎng)中的變化會(huì)立即發(fā)生。
“引力的速度”將會(huì)是無(wú)限的。
例如，如果引力以光速傳播，地球所圍繞的引力中心將是8.3分鐘前的太陽(yáng)位置(光從太陽(yáng)傳播到地球需要8.3分鐘的時(shí)間)。
因此，地球的軌道會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得不穩(wěn)定。
當(dāng)時(shí)，認(rèn)為引力作用的速度是無(wú)限的這個(gè)觀點(diǎn)并不被視為一個(gè)問(wèn)題。
事實(shí)上，它是用作一種論據(jù)來(lái)反駁當(dāng)時(shí)所提出的替代引力觀點(diǎn)。
但在1900年代早期，愛(ài)因斯坦提出了狹義相對(duì)論，指出沒(méi)有什么能超過(guò)光速。
如果是這樣的話(huà)，那么我們的引力理論就會(huì)出問(wèn)題了。
到了1915年，愛(ài)因斯坦提出了一種新的引力理論，這就是廣義相對(duì)論，它同時(shí)能滿(mǎn)足牛頓的引力模型和狹義相對(duì)論。
今年年初，LIGO已經(jīng)成功探測(cè)到引力波
根據(jù)理論，當(dāng)兩個(gè)大質(zhì)量天體(如中子星)互相環(huán)繞時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生引力波，并向外輻射出來(lái)。
這些引力波將會(huì)以光速傳播。
而在今年年初已經(jīng)成功地探測(cè)到了引力波的存在。
但如果引力以光速傳播，這是否意味著天體的軌道肯定不穩(wěn)定?事實(shí)上，并不是的。
當(dāng)拉普拉斯研究有限速度的引力時(shí)，他只考慮引力速度的影響。
但在狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論中，有限的光速會(huì)導(dǎo)致其他影響，如由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間膨脹效應(yīng)以及質(zhì)量的明顯改變。
在數(shù)學(xué)上，這些效應(yīng)是源自龐加萊不變性的性質(zhì)。
由于這種不變性，引力的時(shí)間延遲和時(shí)間與質(zhì)量的速度依賴(lài)效應(yīng)相互抵消，這樣有效的質(zhì)量就會(huì)吸引有質(zhì)量的地方。
這種抵消效應(yīng)意味著，對(duì)于軌道運(yùn)動(dòng)而言，引力就好像是瞬時(shí)作用的。
但是等一下，既然引力場(chǎng)有一個(gè)有限的速度，那怎么又能產(chǎn)生瞬時(shí)作用呢?實(shí)際上，引力場(chǎng)并不能這樣。
但在廣義相對(duì)論中，引力不是一種能量場(chǎng)。
早在牛頓之前，一般都會(huì)假定在特定的時(shí)間下，物質(zhì)和能量場(chǎng)在空間中會(huì)相互作用。
通過(guò)這種方式，時(shí)間和空間可以被視為一個(gè)事情發(fā)生的背景。
空間和時(shí)間被視為可以度量的宇宙網(wǎng)格。
在發(fā)展狹義相對(duì)論時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，空間和時(shí)間不能是一種絕對(duì)的背景。
牛頓認(rèn)為，同一時(shí)間發(fā)生的兩個(gè)事件，在所有觀測(cè)者看來(lái)都是同時(shí)的。
但是愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，光速的恒定需要“現(xiàn)在”這個(gè)概念是相對(duì)的。
以不同速度移動(dòng)的不同觀測(cè)者會(huì)對(duì)事件發(fā)生的順序產(chǎn)生分歧。
地球附近的時(shí)空扭曲
這一原則在愛(ài)因斯坦的引力理論中被發(fā)揚(yáng)光大。
在廣義相對(duì)論中，引力不是一種能量場(chǎng)。
相反，質(zhì)量扭曲了空間和時(shí)間之間的關(guān)系。
如果我們回到之前的例子中，如果我們把質(zhì)量A置于一個(gè)空無(wú)的宇宙中，其周?chē)目臻g和時(shí)間的關(guān)系被扭曲了。
當(dāng)我們把質(zhì)量B置于附近時(shí)，其周?chē)臅r(shí)空扭曲意味著會(huì)朝向質(zhì)量B移動(dòng)。
這看起來(lái)就像B被一股力拽向A，但實(shí)際上這是由于時(shí)空扭曲的事實(shí)。
正如物理學(xué)家約翰?惠勒曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“時(shí)空告訴物質(zhì)如何移動(dòng);物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。”
這就是為什么引力作用看似瞬時(shí)，但引力波卻以光速傳播。
引力并不是一種在時(shí)空中傳播的東西，引力就是時(shí)空。
黑洞由于其龐大的質(zhì)量，是一種極端扭曲時(shí)空。
這樣的時(shí)空扭曲可以阻止光和物質(zhì)逃脫。
但時(shí)空扭曲也是引力，它不需要逃離黑洞，因?yàn)樗褪呛诙础?/p>
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