不得不說，光速和黑洞一直以來都是熱門的話題，關(guān)于這個(gè)問題，想搞明白需要從本質(zhì)上了解，萬有引力定律，廣義相對論的內(nèi)容以及光和黑洞等相關(guān)知識。接下來本文就為你一個(gè)一個(gè)講解這些東西。

首先是牛頓經(jīng)典力學(xué)中的萬有引力定律

學(xué)過中學(xué)物理的都知道它表達(dá)的是：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間都存在相互吸引的力。大小和質(zhì)量之積成正比，和距離成反比。

萬有引力定律作為經(jīng)典力學(xué)的代表，對于很多現(xiàn)象都能完美的解釋，也可以和其他的理論所相融。并且在宏觀，低速領(lǐng)域，它確實(shí)是最好用的理論。

• 可惜的是當(dāng)時(shí)牛頓并不知道引力的本質(zhì)是什么，它又是如何產(chǎn)生的。

按照萬有引力的定義，我們可以得出，引力的作用效果是瞬間產(chǎn)生的，也就是說：引力是超距作用的。但是包括牛頓本人都對這個(gè)結(jié)論感到不滿意。但又找不到更合適的理論來取代它。

萬有引力的局限性

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，漸漸出現(xiàn)了下列一些牛頓理論所不能解釋的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

• 1.按照萬有引力定律，光線的偏折只要實(shí)際觀測的一半

• 2.無法解釋為什么所有的物質(zhì)引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相同。

• 3.不能完全解釋水星在近日點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。

為了解釋這些現(xiàn)象，1907年，愛因斯坦初次提出了廣義相對論：將牛頓的萬有引力定律和狹義相對論進(jìn)行了推廣，從而解決萬有引力定律的局限性，同時(shí)也對引力的本質(zhì)表達(dá)出了自己的觀點(diǎn)。

那么引力的本質(zhì)是什么？

在科學(xué)上存在四大基本作用力:電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、引力。而萬物之間都有引力的存在，引力也是具有質(zhì)量的物體之間相互靠近的一種趨勢。

在牛頓力學(xué)中，萬有引力定律還有一個(gè)容易被忽略的一個(gè)假設(shè)的前提，即：絕對時(shí)空觀，簡單來說就是，牛頓認(rèn)為時(shí)空是直的，不存在彎曲。而在愛因斯坦的廣義相對論中，時(shí)空則是可以彎曲的，引力就是時(shí)空的彎曲才產(chǎn)生的。

在廣義相對論中，愛因斯坦使用測地線的概念重新建立起了時(shí)間和空間的關(guān)系，他認(rèn)為，完全真空的空間都是平坦的，但是在有質(zhì)量的物體作用下，平坦的空間會變彎曲。

宇宙中任何物體（包括光線）都在沿著測地線運(yùn)動(dòng)。而引力是時(shí)空的一種幾何屬性，有質(zhì)量的物體可以彎曲它附近的時(shí)空，

• 引力則是時(shí)空彎曲的外在表現(xiàn)，并且質(zhì)量和能量越大，空間曲率越大，相對應(yīng)的引力效應(yīng)就越強(qiáng)。

我們都知道地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，如果用牛頓力學(xué)解釋我們只能說太陽和地球之間存在萬有引力，太陽強(qiáng)大的引力吸引住了地球，而實(shí)際上換作相對論來卻能更好的理解引力的本質(zhì)：

太陽質(zhì)量太大彎曲了周圍的時(shí)空，以至于時(shí)空彎曲成了一個(gè)類似于漏斗的樣子。

地球本來要走的是直線，但是附近的時(shí)空被太陽彎曲了，這時(shí)候經(jīng)過它的物體會依然沿著被彎曲的測地線運(yùn)動(dòng)，所以就產(chǎn)生了被“吸引”的效果。

這就是所謂的測地線的概念，就是因?yàn)橐κ怪刂鴱澢壍肋\(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

• 一句話總結(jié)就是：引力的本質(zhì)是時(shí)空的彎曲。

下面我們再來討論關(guān)于光子的一些性質(zhì)

• 波粒二象性

光子也被稱為光量子，在電磁相互作用中起這重要的作用，是一種規(guī)范玻色子。同其他的基本粒子相比，光子似乎是個(gè)另類的存在，因?yàn)楣庾泳哂胁６笮裕杭瓤梢员憩F(xiàn)出波的折射，干涉等性質(zhì)，又可以表現(xiàn)出粒子性。

普朗克首次提出了電磁波攜帶的能量是量子化的，不同頻率電磁波的能量量子為hν，而且他認(rèn)為光子一份一份的能量單元仍然是一種振動(dòng)的波，但是愛因斯坦則認(rèn)為這一份一份的能量單元不是那么簡單的，當(dāng)時(shí)只知道光是一種電磁波。

光的波粒二象性是愛因斯坦率先同一并證明的，發(fā)現(xiàn)所有的物質(zhì)都具有波粒二象性，波粒二象性是自然界中一切事物運(yùn)動(dòng)的最基本量子特征。

愛因斯坦把黑體輻射和光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合起來再加上牛頓的光粒子學(xué)說發(fā)現(xiàn)，如果把這一份一份的能量量子看作是粒子，然后讓光通過具有粒子性的能量量子并進(jìn)行傳播然后與物質(zhì)發(fā)生相互作用，成為第一個(gè)成功解釋光電效應(yīng)的人，光電效應(yīng)說明了光具有粒子性。

光子可以在很多自然過程中產(chǎn)生，光子在運(yùn)動(dòng)過程中具有質(zhì)量，能量和動(dòng)量。

在牛頓的經(jīng)典力學(xué)中，描述擁有質(zhì)量的物體會受到萬有引力的作用，但是在愛因斯坦的相對論中，質(zhì)量又可以分為靜止質(zhì)量和動(dòng)質(zhì)量。

在物理學(xué)中對光子的定義為“光子在靜止?fàn)顟B(tài)下質(zhì)量為0”，但是因?yàn)楣庾邮冀K都在運(yùn)動(dòng)，并且在真空狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)速度為299792458 m/s，也就是約30萬km／s。

而以光速運(yùn)動(dòng)的光子同時(shí)具有能量和動(dòng)量，在廣義相對論中，能量和質(zhì)量是物體的同一個(gè)性質(zhì)，根據(jù)E=mc2，能量可以等效為質(zhì)量，也就計(jì)算出光子的動(dòng)質(zhì)量。

• 所以我們認(rèn)為光子有動(dòng)質(zhì)量。

黑洞是愛因斯坦在廣義相對論中預(yù)言的一種現(xiàn)象，史瓦西被愛因斯坦的廣義相對論本質(zhì)所吸引，并且開始尋找它的方程的精確答案。

這個(gè)答案表面是：如果將大量物質(zhì)集中在空間一點(diǎn)，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，也就是質(zhì)點(diǎn)周圍會存在一個(gè)視覺界面，如果一旦進(jìn)入到這個(gè)界面范圍內(nèi)，連光也是無法逃脫的。

后來被美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為“黑洞”。

• 黑洞是宇宙中最神秘的一種天體，但近百年來人類對黑洞的探索從未停止。

直到2019年4月拍攝了第一種黑洞照片——M87*星系黑洞，黑洞位于室女座一個(gè)巨型橢圓星系M87的中心，有400億公里長，距離地球5500萬光年，并且證實(shí)了愛因斯坦相對論的黑洞存在。

黑洞本身是看不到，但是我們可以通過觀測黑洞周圍明亮的吸積盤來間接證明黑洞的存在。

• 了解了光和黑洞，你應(yīng)該已經(jīng)大致明白問題的答案了，我們把這兩者結(jié)合到一起再來討論下。

前面提到當(dāng)天體的質(zhì)量越大，時(shí)空被彎曲的也卻嚴(yán)重。而像黑洞這種密度無限大，體積無限小的奇點(diǎn)，時(shí)空被彎曲的也最大，任何經(jīng)過它的物體都會沿著被重度扭曲的測地線運(yùn)動(dòng)，即使是光也一樣。所以嚴(yán)格來說，并不是黑洞吸引了光，而是光本身就一直在沿著彎曲的側(cè)地線運(yùn)動(dòng)，自己不出來罷了。

結(jié)語

最后來個(gè)總結(jié)。

• 在黑洞這樣引力如此大的天體面前，牛頓的經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)不再適用，這個(gè)時(shí)候就需要愛因斯坦的廣義相對論來解釋。

• 實(shí)際上光沒有靜質(zhì)量，但是光子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就具有了動(dòng)能，根據(jù)質(zhì)能方程光子也就擁有了質(zhì)量。

• 光也并不是被黑洞吸引了，而是黑洞嚴(yán)重扭曲了附近的時(shí)空，導(dǎo)致光沿著被彎曲的測地線運(yùn)動(dòng)，所以光根本出不來。看起來就像被黑洞吞噬掉一樣。