光有没有质量?黑洞是如何吸引住光的?

光其实有质量

首先,光没有质量的说法并不准确,实际上应该说光没有静止质量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,实际上也叫做质能等价,光虽然没有静止质量,但是它还具有动质量,它的质量可以表述成m=E/c^2,这样的做法其实不仅仅是对光可以,在研究微观粒子时,尤其是做粒子对撞实验过程中,

科学家就进行了这样的统一,比如说:六种夸克。可以看下图的每钟夸克的左上角,xxxMeV/c^2,xxxGeV/c^2指的就是夸克的质量。

之所以可以这样,是因为质能等价告诉我们,质量和能量是一回事,是一体两面的。多少质量就会对应多少能量,多少能量就会对应多少质量。这可以通过爱因斯坦的质能方程进行换算。因此,光其实是有质量的。

牛顿力学

既然光是有质量的,那么我们就可以用牛顿力学来进行求解。牛顿曾经提出过万有引力定律,说的就是物体之间都存在引力。这种引力会让两个静止的物体相互靠近。苹果往下掉就是这个原理。

而牛顿还给出了万有引力公式,这个公式告诉我们万有引力和两个物体之间的距离的平方成反比,和物体的质量成正比。

而黑洞是质量巨大的天体,它可以把让光都跑不出来。那这又是啥原理呢?

关于这个问题,我们可以从牛顿思考万有引力的角度入手,这也叫做牛顿大炮。其实这个思想实验就是牛顿自己写在了自己的著作《自然哲学的数学原理》中的。

他曾经这样去思考万有引力,如果有个炮弹,没有任何初速度,就会落到原地。

这时候,如果用大炮打出去,一般来说就会是个抛物线,然后落到地面。

这时候,牛顿就在想,随便打出一个炮弹,炮弹都会做平抛运动,都有向下掉的趋势,这是引力导致的,但地球其实也是曲的,也有向下的趋势,如果打出的炮弹足够快,使得炮弹向下的量正好等于地球表面向下弯曲的量,那炮弹不就一直沿着表面做绕圈了么?


后来,我们也知道,这个叫做宇宙第一速度,是7.9km/s。当然如果比这个速度还要再快一点,那炮弹就会发生变轨。绕出一个更大的椭圆轨道。

如果速度再快一点,超过一定的限度,那很有可能炮弹就摆脱地球的引力。这个限度其实就是第二宇宙速度,11.2km/s,这也被称为逃逸速度。


实际上,对于任何天体来说,宇宙速度是不同的,刚才说到的两个速度都是在地球上的情况。如果在黑洞上呢?黑洞的第二宇宙速度其实就是大于光速的。也就是说,即使达到了光速也没办法摆脱黑洞的引力。

这其实就是从牛顿的万有引力的角度去思考黑洞到底是一种什么样的天体,如果要简单概括一下就是,光是有质量的,所以会受到万有引力。而黑洞的逃逸速度超过了光速,因此光无法摆脱黑洞的引力。

广义相对论

当然,目前来说,关于引力的本质的诠释,更主流的观点是爱因斯坦的广义相对论。

他认为引力的本质是时空的弯曲。所谓时空指的就是三维空间和时间的统称,三维空间和时间并不能独立来看,光速则是三维时空的特殊属性。

地球绕着太阳转,就是因为太阳弯曲了周围的时空,而地球只是沿着测地线在运动。(补充下,测地线实际上就是时空中的“直线”,两点之间的最短距离。),如果我们从二维的角度来看,就是下面这样。

而太阳说实在的还算是引力比较小的,所以对于时空的扭曲并不严重。而黑洞就不同的了,由于自身质量巨大,导致时空的曲率极度弯曲。而这个扭曲的程度,使得光即使沿着黑洞周围的测地线走,也只能掉落到黑洞里。所以,从视觉上看,就是光被黑洞吸走了。而在广义相对论中,光落入黑洞并不和光自身的质量有关,只和黑洞对于时空的弯曲程度有关。

因此,无论从牛顿的万有引力理论的角度来看,还是从爱因斯坦的广义相对论的角度来看,光都不可能逃脱被黑洞吸入的命运。