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如果任何物质都无法逃脱黑洞的引力,那么引力本身又是如何逃脱的

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人们常常将黑洞描述为一个被 “事件视界”所包围的奇点,所有的质量都聚集在那里(也可能不在那里?)。“事件视界”是一个“高度”,在这个高度上,逃逸速度是光速。由于光速无法被超越,所以没有任何东西可以完成逃逸。但是如果重力是黑洞“发射”出的,那么表现出的“重力”是如何被发出的呢?简而言之:重力不是由物质“发射”的,而是时空在物质和能量周围表现的属性。

我们先退后一步,考虑一下我们对黑洞的理解,以及我们对黑洞行为的所有预测来自何处。我们得到的结果是:我们对黑洞的理解,以及我们对它们奇异行为的所有预测,都源于我们用来描述黑洞的数学。所以,对于题目所说的这个问题,数学上可以给出一个最简短无争议的回答:没有东西可以逃逸,而且引力不会“逃逸”到“持续”的程度。

爱因斯坦的一切理论都是基于实验结果的。当一次又一次的测试全都显示:不管移动方式是什么,光的速度始终如一时,爱因斯坦据此提出了狭义相对论。

然而结果也表明,没有任何实验能够区分深空中静止的漂浮和在重力作用下的加速(当你坠落时,你是失重的)之间的区别。于是,爱因斯坦大胆地提出:“如果坠落和漂浮没有区别呢?”

不提这引发的诸多讽刺。人们经过十年的努力研究,以及大量的微分几何处理(需要处理像地球表面这样混乱的坐标系统,甚至是弯曲的时空)。终于将这些语句转化为有用的数学符号,得出了“爱因斯坦场方程”。他还有另一个与爱因斯坦有关的名字:臭名昭著的教授场。

从技术上讲,这是16个方程(μ和ν是各取4个值的指数),但是有一些技巧可以将其简化为更稳定的6个方程。

这个可怕的混乱的左侧描述了时空的形状,并将其与右侧联系起来,右侧描述了存在的物质和能量的数量(特别是物质)。这个方程基于两个原则:“物质和能量会制造重力……虽然不知他们为何可以”和“当你感觉不到任何方向的推或拉时,你在做直线运动”。这种推或拉由加速度计是否可以测量出数值来定义。因此,卫星不会加速,因为它们总是自由下落。而站在地球上的你正在做加速运动,因为如果你拿着一个加速度计,它会有9.8米/平方秒(1个标准地球重力)的示数。这不奇怪吗?自由下落物体(甚至是轨道物体)的路径是一条穿过非平面时空的直线。

从弯曲思维的怪异中走过去;这个方程,以及所有的相对论数学机制,对于我们能够测试的每一个得到的预测都完美贴合。因此,实验研究给了广义相对论一个有力的支持。它不仅仅是因为漂亮而被使用/教导/相信,还是因为它可以解释现象。

特别强调,描述的曲率不仅取决于“物质”的存在,还取决于附近时空的曲率。重力不是从某个遥远的源头发射出来的,而是你现在居住的空间的一种属性,也就是你现在所处的位置。这是从“纸上保龄球”演示试图得出的重要一点。

所以重点就是,重力只是时空“形状”的问题。它不仅受物质和能量的影响,也受附近时空形状的影响。如果你远离一颗恒星(或者其他什么东西),你所体验到的重力不是直接来自那颗恒星,而是来自你所处的那片空间。结果表明,如果恒星变小并且质量不变,那么你所在的空间形状就保持不变(只要你保持相对静止,物体的密度与它的重力无关)。即使这个物体坍缩成黑洞,它周围的重力场也会保持不变;时空的形状是稳定的,并且非常乐意保持原样,即使最初产生它的物质正在做像黑洞一样诡异的事情。

这玩意儿真的很难直接摸索。我们真正得到的只是实验数据和观察结果,这些东西带来了一些简单的陈述,和一些令人讨厌的数学。基于此,我们可以得到一些令人惊讶的预测(包括关于黑洞的预测),迄今为止,这些预测已经支持了我们所能做的所有已知黑洞的观察结果(这是很困难的,因为它们很暗,很小,最近的距离大约是8000光年远,这可不是步行能达到的距离)。也就是说:拿出数据比让人理解更容易,不过数据也不是那么好算出来的。

因为图中所述内容均为真实,所以才会显得好笑,虽然可能没必要提,不过漫画出自XKCD哦。

坏消息就是,在物理学中,就算我们能用数学表示得很好,但是如果没有大量的测试、验证和实验,就不应该相信数学推算能够预测现实(这也是物理学的开端)。不幸的是,没有任何信息能从地平线之外逃逸出来。因此,虽然我们有很多测试可以探究地平线以外的重力性质(地球上的重力与地平线以上的重力的行为方式相同),但我们甚至在理论上都没有办法研究它们。奇点的存在,以及在这些极端情况下会发生什么,可能永远都是个谜。

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