光一直以光速向前传播,可为何光逃离不了黑洞?

关注者
2131
被浏览
237837

112 个回答

(本文冗长。最后有一句话比喻,通俗易懂。)

一句话:因为在黑洞内部,光锥是永远向内的。

(一)

首先解释一个关键的概念,什么是「光锥」。
简单地说,光锥就是光的时空路径——注意是「时空」,而不是「空间」。即,在某时某地发射一闪光,此后光传播所经历到的时空区域就是「光锥」。换句话说,就是能看到这个闪光的时空区域。当然,这严格说是未来光锥。

这样说还是很抽象,举个1维空间的例子。这个世界不妨称之为「1+1维」时空(因为是1维空间+1维时间)。简单起见,假设光速为常数 v=1。
时间 t = 0 时,在空间坐标原点 x = 0 处发生一闪光。这时,因为光以有限的速度 v = 1 传播,其路径就是 x = t 或者 x = - t。这里有两条路径,因为在一维空间里,光能朝「前」、「后」两个方向传播。
画在 (x, t) 平面上,光的时空路径 x = t 或者 x = - t 就是通过原点的45度角射线。这射线就是「1+1维」时空的光锥。如下图所示,红色射线就是光锥。
在这个「1+1维」时空里,只有在光锥上的点,才能看到闪光。比如 (x = 2, t = 1) 这个点,就不在光锥上,也看不到闪光。因为在 t = 1 秒的时候,光还没有传播到 x = 2 处。x = 2 处只有在等到 t = 2 时才能看到闪光,于是 (x = 2, t = 2) 这个点正好就在光锥上。
上面这个例子很容易推广到真实的「3+1维」时空(3维空间,1维时间),只不过这时候射线变成了锥子(当然是3维的锥子),所以叫光锥。
所以光锥是时空的一个截面,维度比时空少一维。光锥的存在正是因为光速有限。

更物理地说,光锥是时空的一个「界限」,即,能发生因果关联与否的区分边界。因为光速是最大速度,光在光锥表面传播,其他信号在光锥内部传播,所以光锥内部就是可发生信号联系(因果关联)的区域,光锥外则是不可能有因果关联的区域。
以下图为例(引子wiki)这里展示的是「2+1维时空」:2维空间(横向)+1维时间(纵向)。A代表某时某地一「事件」,光锥内部(上图黄色区域)就是A事件未来可影响到的时空区域,比如B点(下部黄色区域代表可以过去可能影响过A的时空区域);而光锥外的其他区域,过去、未来都不可能与A事件发生关联,比如C点。

(二)

回到光传播的问题上。
广义相对论说,时空可以弯曲。于是在这个弯曲的时空里,光就不一定走 x = t 或者 x = - t 这么简单的直线了。比如在「1+1维」的时空里,光的路径可能就是这个样子:根据时空弯曲的程度,光可以走各种扭曲的路径。
上图中,虽然光的路径已经被扭曲,但是左边 x1(t) 还是在朝「左」传播,右边 x2(t) 还是在朝右传播。那么一个自然的问题是:有没有可能扭曲成这个样子:也就是说,无论光自己以为在朝哪个方向传播,实际上都是在朝左传播?回答是当然可能!这正是光无法离开黑洞的关键!

具体而言:对于比较正常的时空里的正常的光锥,光可以(沿着光锥表面)向前后左右任意空间方向传播。但是在黑洞内部,光锥被扭曲,光锥的所有空间方向都朝向黑洞内部,使得光只能向内传播。

(三)

以最简单的不带电不旋转黑洞即「Schwarzschild黑洞」为例。
下图(引自wiki)中左边白色区域为黑洞外,右边黑色区域为黑洞内。在左边即黑洞外,光锥比较正常,光可以朝两个方向传播——比如朝左也就是背离黑洞,或者朝右也就是朝向黑洞。
如果我们靠近黑洞,如下图(引自wiki),光锥开始扭曲,明显开始朝黑洞倾斜。于是光倾向于向黑洞(朝右)内传播,只有少部分可以背离黑洞(朝左)。
如果我们进入黑洞内部(黑色区域),如下图(引自wiki),这时,光锥完全被扭曲,光锥的任何方向都是指向黑洞内部。也就是说,光无论怎么传播,都是在「朝内」传播。
下图(来自网络)是个更形象的说明:

圆柱代表黑洞视界,圆柱内是黑洞内,圆柱外是黑洞外。黑洞外光锥被扭曲的不厉害,光可以朝向黑洞也可以背离黑洞。黑洞里面,光锥完全倒向黑洞内,光锥的所有方向都指向黑洞内,于是光无论朝哪个方向传播都是在向内传播。

总之,一句话,在黑洞(视界)内部,时空被扭曲了——只有向内,没有向外。

最后,如果觉得还是很抽象的话,可以考虑这样的例子(虽然不严谨,但本质上一个道理):
你在坐高铁,你以为你可以来回走动,但是因为你不可能比高铁走的更快,所以在地面上的人看来,你只能永远在朝前走,就像光在黑洞内只能永远朝里走。
简单说(简单说意味着不严谨,只是类比,不能用来做论据等等意思)
你在地球上,一直向前走,为何不能走到距离北京无穷远的地方?
同样,光也是一直向前走的,但是空间的弯曲使得光的“前”实际上是指向黑洞里面的。

(这个回答旨在强调空间的弯曲,所以用二维举个例子)
为什么?