黑洞的附近为什么能弯曲时空,黑洞周围时空曲率是正还是负

这种跟相对论有关的问题,试图脱离公式而仅用语言理解去描述的答案,一定会让你越看越迷惑的,所以真正要理解这类问题,最好能从数学角度去理解。

黑洞的附近为什么能弯曲时空,黑洞周围时空曲率是正还是负图1

首先,时空曲率是什么?按照广义相对论,在引力场中时空的“平整性”是由物质分布决定的,不均匀的物质分布使时空变得不均匀,即时空被物质扭曲了,物质密度越大的地方曲率越大,是时空曲率产生了引力。

当光线经过一些大质量的天体时,它的路线是弯曲的,因为它沿着大质量物体所形成的时空曲面上的最短距离(测地线)行进。就像放在弹性薄膜上的重球使膜的表面弯曲,此时如果一个小球滚过膜面,在经过重球压坠出的曲面时,小球的运动轨迹和速度都会产生变化。

如果曲率不大,广义相对论与牛顿万有引力理论计算小球轨迹所产生的结果大致相同,若是曲率很大时,传统理论就不适用了,此时要考虑时间也被“扭曲”的问题了。

其次,关于黑洞,它是天体物理中最引人注目的概念之一,科幻小说、电影和媒体上经常将其作为素材。黑洞的概念早在18世纪就有人用牛顿的万有引力定律预言了。因为质量产生了万有引力,假设在宇宙中存在的一种质量非常大的天体,它的质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于任何物质和辐射都无法逃逸,哪怕达到光速也低于其逃逸速度,就会形成黑洞。

到20世纪相对论发表之后,史瓦西根据爱因斯坦场方程解算出,如果某天体全部质量都压缩到很小的引力半径之内,所有物质、能量,包括光线都会被引力场囚禁并向中心密度无穷大的重力“奇点”塌陷,连光子也不能逃逸,根据相对论,任何惯性坐标中物质的速度都不可能超越光速,从外界看这天体就是陷入了绝对黑暗,成为“黑洞”。

使用广义相对论对极高引力、极高速度的物体描述时空环境时,关于速度、距离、时间的定义跟传统方法不同,所以更加让人难以理解。比如在相对论中单独说一个物体的速度是没有意义的,两个质点之间的相对距离的变化率称为两个质点的相对速度,加速度就是空间的弯曲,质量越大的物体周围的时间越慢。在黑洞这个强大的引力场周围,越靠近这个天体,它的引力强度呈非线性增加,中心是一个密度无限大、体积无限小,时空曲率完全闭合的奇点,在外部不同参照系的观测者看来,黑洞周围的时空就是一个加速度趋向无限大,时间趋向无限慢的空间。

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