高考考试网
当前位置: 首页 高考资讯

黑洞为什么吸引光(光到底有没有质量)

时间:2023-05-16 作者: 小编 阅读量: 8 栏目名: 高考资讯

光到底有没有质量不得不说,光速和黑洞一直以来都是热门的话题,关于这个问题,想搞明白需要从本质上了解,万有引力定律,广义相对论的内容以及光和黑洞等相关知识接下来本文就为你一个一个讲解这些东西首先是牛顿经典力学中的万有引。

不得不说,光速和黑洞一直以来都是热门的话题,关于这个问题,想搞明白需要从本质上了解,万有引力定律,广义相对论的内容以及光和黑洞等相关知识。接下来本文就为你一个一个讲解这些东西。

首先是牛顿经典力学中的万有引力定律

学过中学物理的都知道它表达的是:任意两个质点之间都存在相互吸引的力。大小和质量之积成正比,和距离成反比。

万有引力定律作为经典力学的代表,对于很多现象都能完美的解释,也可以和其他的理论所相融。并且在宏观,低速领域,它确实是最好用的理论。

  • 可惜的是当时牛顿并不知道引力的本质是什么,它又是如何产生的。

按照万有引力的定义,我们可以得出,引力的作用效果是瞬间产生的,也就是说:引力是超距作用的。但是包括牛顿本人都对这个结论感到不满意。但又找不到更合适的理论来取代它。

万有引力的局限性

随着科学的不断发展,渐渐出现了下列一些牛顿理论所不能解释的现象和实验结果。

  • 1.按照万有引力定律,光线的偏折只要实际观测的一半
  • 2.无法解释为什么所有的物质引力质量和惯性质量相同。
  • 3.不能完全解释水星在近日点时出现的进动现象。

为了解释这些现象,1907年,爱因斯坦初次提出了广义相对论:将牛顿的万有引力定律和狭义相对论进行了推广,从而解决万有引力定律的局限性,同时也对引力的本质表达出了自己的观点。

那么引力的本质是什么?

在科学上存在四大基本作用力:电磁力、强相互作用力、弱相互作用力、引力。而万物之间都有引力的存在,引力也是具有质量的物体之间相互靠近的一种趋势。

在牛顿力学中,万有引力定律还有一个容易被忽略的一个假设的前提,即:绝对时空观,简单来说就是,牛顿认为时空是直的,不存在弯曲。而在爱因斯坦的广义相对论中,时空则是可以弯曲的,引力就是时空的弯曲才产生的。

在广义相对论中,爱因斯坦使用测地线的概念重新建立起了时间和空间的关系,他认为,完全真空的空间都是平坦的,但是在有质量的物体作用下,平坦的空间会变弯曲。

宇宙中任何物体(包括光线)都在沿着测地线运动。而引力是时空的一种几何属性,有质量的物体可以弯曲它附近的时空,

  • 引力则是时空弯曲的外在表现,并且质量和能量越大,空间曲率越大,相对应的引力效应就越强。

我们都知道地球围绕着太阳公转,如果用牛顿力学解释我们只能说太阳和地球之间存在万有引力,太阳强大的引力吸引住了地球,而实际上换作相对论来却能更好的理解引力的本质:

太阳质量太大弯曲了周围的时空,以至于时空弯曲成了一个类似于漏斗的样子。

地球本来要走的是直线,但是附近的时空被太阳弯曲了,这时候经过它的物体会依然沿着被弯曲的测地线运动,所以就产生了被“吸引”的效果。

这就是所谓的测地线的概念,就是因为引力使之沿着弯曲轨道运动的结果。

  • 一句话总结就是:引力的本质是时空的弯曲。
下面我们再来讨论关于光子的一些性质
  • 波粒二象性

光子也被称为光量子,在电磁相互作用中起这重要的作用,是一种规范玻色子。同其他的基本粒子相比,光子似乎是个另类的存在,因为光子具有波粒二象性:既可以表现出波的折射,干涉等性质,又可以表现出粒子性。

普朗克首次提出了电磁波携带的能量是量子化的,不同频率电磁波的能量量子为hν,而且他认为光子一份一份的能量单元仍然是一种振动的波,但是爱因斯坦则认为这一份一份的能量单元不是那么简单的,当时只知道光是一种电磁波。

光的波粒二象性是爱因斯坦率先同一并证明的,发现所有的物质都具有波粒二象性,波粒二象性是自然界中一切事物运动的最基本量子特征。

爱因斯坦把黑体辐射和光电效应的实验现象结合起来再加上牛顿的光粒子学说发现,如果把这一份一份的能量量子看作是粒子,然后让光通过具有粒子性的能量量子并进行传播然后与物质发生相互作用,成为第一个成功解释光电效应的人,光电效应说明了光具有粒子性。

光子可以在很多自然过程中产生,光子在运动过程中具有质量,能量和动量。

在牛顿的经典力学中,描述拥有质量的物体会受到万有引力的作用,但是在爱因斯坦的相对论中,质量又可以分为静止质量和动质量。

在物理学中对光子的定义为“光子在静止状态下质量为0”,但是因为光子始终都在运动,并且在真空状态下运动速度为299792458 m/s,也就是约30万km/s。

而以光速运动的光子同时具有能量和动量,在广义相对论中,能量和质量是物体的同一个性质,根据E=mc²,能量可以等效为质量,也就计算出光子的动质量。

计算光子的质量

  • 所以我们认为光子有动质量。
黑洞是爱因斯坦在广义相对论中预言的一种现象,史瓦西被爱因斯坦的广义相对论本质所吸引,并且开始寻找它的方程的精确答案。

这个答案表面是:如果将大量物质集中在空间一点,其周围会产生奇异的现象,也就是质点周围会存在一个视觉界面,如果一旦进入到这个界面范围内,连光也是无法逃脱的。

后来被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

  • 黑洞是宇宙中最神秘的一种天体,但近百年来人类对黑洞的探索从未停止。

直到2019年4月拍摄了第一种黑洞照片——M87*星系黑洞,黑洞位于室女座一个巨型椭圆星系M87的中心,有400亿公里长,距离地球5500万光年,并且证实了爱因斯坦相对论的黑洞存在。

第一张黑洞照片

黑洞本身是看不到,但是我们可以通过观测黑洞周围明亮的吸积盘来间接证明黑洞的存在。

  • 了解了光和黑洞,你应该已经大致明白问题的答案了,我们把这两者结合到一起再来讨论下。

前面提到当天体的质量越大,时空被弯曲的也却严重。而像黑洞这种密度无限大,体积无限小的奇点,时空被弯曲的也最大,任何经过它的物体都会沿着被重度扭曲的测地线运动,即使是光也一样。所以严格来说,并不是黑洞吸引了光,而是光本身就一直在沿着弯曲的侧地线运动,自己不出来罢了。

结语

最后来个总结。

  • 在黑洞这样引力如此大的天体面前,牛顿的经典力学已经不再适用,这个时候就需要爱因斯坦的广义相对论来解释。
  • 实际上光没有静质量,但是光子运动的时候就具有了动能,根据质能方程光子也就拥有了质量。
  • 光也并不是被黑洞吸引了,而是黑洞严重扭曲了附近的时空,导致光沿着被弯曲的测地线运动,所以光根本出不来。看起来就像被黑洞吞噬掉一样。

专注研究星球上的科学,欢迎各位读者关注我!了解更多天文知识。

    推荐阅读
  • 正宗养生茶配方大全(自主调制春夏秋冬四季养生茶)

    7月15日是世界青年技能日,今天上午,2022年世界青年技能日主题活动启动仪式在山东省济宁市举行,全国各地同步开展世界青年技能日宣传活动。山东医药技师学院重点展示了中华传统保健按摩和养生茶茶艺等特色技能技艺。中华传统保健按摩技艺分为艾灸、推拿、脐疗、拔罐、刮痧五部分,其中小儿推拿疗法是以推、按、揉、捏等手法,对穴位产生一定的物理刺激的一种中医治疗性操作。

  • 襄阳5g小基站(前3个月建成200个5G基站)

    在今年的全市两会上,政府工作报告把建设3800个5G基站,实现中心城区5G网络全覆盖列入了民生十件实事之一。早在2019年11月26日,襄阳市口腔医院的患者手术情况实时传播至270多公里外的武汉大学口腔医院专家眼前,5G网络下唇腭裂远程协同手术顺利实施。2020年5月,《襄阳市加快5G产业发展实施方案》出台,根据当前国家和省推动5G发展形势,结合我市现状,从网络建设、产业发展、行业应用三个方面制定发展目标。

  • vivo智慧引擎设置 vivo手机智慧引擎在哪设置

    以vivox21为例,步骤如下:1、打开vivox21手机,在桌面找到设置并点击;2、在设置里下滑,找到更多设置并点击;3、在更多设置下滑,找到应用程序并点击;4、在应用程序中下滑,找到智慧引擎并点击;5、点击进入后,页面显示的就是智慧引擎。

  • 魔兽世界血精灵任务路线(魔兽世界血精灵任务路线攻略)

    魔兽世界,基本都满级了,有些服务器因为人口流失严重,成为鬼区,世界频道都可以进行聊天打P。一般人起号,都是首发法师。1-14级,没什么可说的,任务升级。沿着主线走就可以了,熟练的一般1小时就完成了。14-20级,法师有了第一个群刷技能,魔暴术。推荐地点塔奎林,很多僵尸12-14级左右,可以一次啦4-5个进行奥爆刷怪,需要一定练习,不然很容易暴毙。也可以选择18级后,清下任务到20级。推荐最好刷到23级。

  • 描写果园里水果的优美句子(描写果园里水果的优美句子有哪些)

    描写果园里水果的优美句子秋风姑娘又来到了果园里,果园里柿子挂起了一个个红红的小灯笼,石榴笑得合不拢嘴,苹果红着脸笑盈盈地欢迎秋风姑娘的到来,橘子你挤我碰的,等着桔农来采摘它们。秋天的果园是五彩缤纷的,像小灯笼一样的红苹果挂满枝头。我的外公家屋后有一座他自己开的一个果园,果园种了苹果黄花梨桃子杨梅等,还套种了西瓜。

  • 仔猪先天性震颤发生的病因有哪些(仔猪震颤症)

    因尚不十分清楚,众说各异。有人认为本病的发生与母猪怀孕期间缺乏维生素和矿物质有关,特别是钙磷比例失调;也有人认为与母猪怀孕期间接种猪瘟疫苗有关。目前,国内外多数学者认为本病的发生是由病毒引起的,并有人从患病猪的肾脏和其他器官中分离到病毒。本病仅见于仔猪。母猪若生过一窝发病仔猪,则以后出生的几窝仔猪都不发病。本病为散发,发病率和死亡率都比较低。

  • 高三孩子厌学怎么办(高三孩子厌学如何解决)

    厌学的情绪就会减轻。教会孩子进行自我定位和评价。明确目的,接受允许的进步和退步,才能保持良好的心态,提高自信。树立正确考试观是击退坏情绪的必要保证。家长经常鼓励孩子。家长在平时教育孩子应该采取鼓励的方法,使孩子相信自己可以成功,此外,还可以帮助孩子树立自我激励的目标,让孩子经常进行自我激励。

  • 淘宝查号次数多了会怎么样(淘宝查号是什么意思)

    3、在查询框内填上需要查询的淘宝账号(旺旺号),点击查询4、页面出现查询结果,淘宝中差评、信用等信息!

  • vivo子品牌iqoo怎么叫名字(vivo全新子品牌iQOO怎么读)

    今天,iQOO手机在微博发布了官方宣传片,通过一段说唱公布了官方读音为aiku(爱酷)。不过,此前网友已经开始了对IQOO品牌读音的恶搞,官宣之后仍然势不可挡。值得注意的是,随着vivo推出IQOO,头部中国智能手机厂商全部推出了子品牌。另外,因为简单有效的抽奖转发,vivo为IQOO手机的微博账号成功吸粉,账号上线1小时增加1万粉丝,1天后截止发稿IQOO手机的微博账号已经聚集了3万粉丝。

  • 平凡的世界主要内容(平凡的世界主要内容介绍)

    平凡的世界主要内容主要内容:20世纪70年代,文革的余波仍在社会各个角落震荡,无情摧毁着每个人的生活。出身贫寒的农家子弟孙少平有着极强的自尊心,即使在好友田润生面前也不愿展露寒酸的一面。他和地主家的女儿郝红梅虽然身份有着天壤之别,类似的心境则让他们彼此相知。两兄弟以各自的方式闯荡生活,经历着爱情、人生的嬗变。