La luz no tiene masa, entonces ¿por qué los agujeros negros pueden absorber la luz?
Desde el siglo pasado, la comprensión de las personas ha ido más allá del ámbito macroscópico, de modo que poco a poco aparecen efectos espaciales como un fondo físico, como la fluctuación de cualquier objeto.
Además, el descubrimiento de la constante H de Planck demuestra que nuestro universo está cuantificado. Otro hallazgo también es importante. Rutherford bombardeó átomos con electrones y descubrió, para su sorpresa, que sólo se reflejaba una pequeña cantidad de electrones. Esto muestra que la masa del átomo se concentra en un área pequeña y el volumen del átomo se forma mediante el movimiento de electrones a alta velocidad.
En resumen, el universo está compuesto de cuantos, el espacio no está vacío y la materia no es real. Por lo tanto, obtenemos un paisaje cuántico orgánico:
Los cuantos discretos del estado fundamental constituyen el espacio, y los cuantos excitados se convierten en fotones, que pertenecen a la categoría de energía. El sistema cerrado compuesto de cuantos de alta energía es la materia. .
Por tanto, todos los fenómenos físicos del universo pueden atribuirse a la colisión asimétrica de cuantos espaciales. Por ejemplo, el movimiento de alta velocidad y el movimiento acelerado, así como la existencia de partículas microscópicas, provocarán colisiones asimétricas de los cuantos espaciales, lo que hará que la velocidad de los objetos esté limitada por el espacio. Los objetos tienen inercia y las partículas microscópicas tienen fluctuaciones significativas.
La gravedad no es una excepción. También es causada por colisiones asimétricas de partículas cuánticas. Como sistema cerrado, el carácter cerrado del material es menor que 1, lo que irradiará energía térmica de modo que los cuantos espaciales ganen energía. Debido a que los cuantos de alta energía reducirán la compacidad de la materia, la colisión cuántica dentro y fuera de los dos objetos es asimétrica y la diferencia de presión espacial resultante es la gravedad.
El mecanismo de gravedad mencionado anteriormente requiere que el objeto que soporta la fuerza tenga dos características, una es tener volumen y la otra es poder disipar calor. Para un sistema material cerrado, obviamente se satisfacen estas dos condiciones. Por tanto, cualquier materia se atraerá entre sí, lo que se llama gravedad.
El fotón es un caso especial. En esencia, es sólo un cuanto discreto. Aunque el momento angular del cuanto es la constante h de Planck y es mayor que cero, significa que el cuanto tiene masa y volumen. Pero la masa del cuanto es muy pequeña y la energía térmica irradiada por el cuanto es mucho menor que la energía térmica irradiada por la materia como sistema cerrado. Pertenecen a diferentes niveles. Por tanto, la radiación cuántica es insignificante en lo que respecta a la gravedad.
Por lo tanto, como cuanto excitado, un fotón sólo puede sentir la colisión asimétrica del cuanto espacial con su volumen. Es decir, los fotones no sienten atracción por los fotones ni por la materia, pero la materia puede atraer fotones. Si aumenta la energía de un fotón, aumenta el volumen equivalente del fotón, que puede representarse por la masa dinámica del fotón.
En cuanto a los agujeros negros, debido a su enorme densidad, el movimiento y repulsión de la materia están lejos de poder resistir la atracción de la gravedad. Se juntarán infinitamente y se exprimirán entre sí, originando el sistema cerrado. desintegrarse y reducirse a Quantum Discreto. Por lo tanto, un agujero negro es un enorme sistema cerrado compuesto de cuantos de alta energía, que está al mismo nivel que los electrones y los protones.
En resumen, los fotones serán atraídos por el agujero negro y caerán en el agujero negro. Sin embargo, una vez que se entra en un agujero negro, ya no hay fuerza gravitacional entre los fotones, solo hay una colisión elástica entre ellos, y esta colisión cambia de fuerza gravitacional a fuerza repulsiva. Esta es la razón por la que los agujeros negros acaban acabando con sus extrañas vidas en una explosión gigante.
Primero, analicemos: ¿Tiene masa la luz? ¿La ecuación masa-energía de Einstein E=mc? Díganos: en realidad hay energía en la masa y en realidad hay calidad en la energía. Son dos caras de una misma moneda.
La esencia de la luz hay que considerarla como "fotones", que tiene dualidad onda-partícula. La luz tiene energía, por lo que también tiene masa, pero su masa debe ser su energía dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz, es decir, m = e/c ^ 2. También llamamos a esta "calidad" masa dinámica.
Por tanto, la luz no carece de masa, tiene masa en movimiento, pero su masa en reposo es 0.
Entonces, ¿por qué los agujeros negros pueden atraer la luz? Esto comienza con la evolución de los agujeros negros: cuando una estrella envejece, sus reacciones termonucleares han agotado el combustible del centro y la energía generada en el centro está a punto de agotarse. De esta manera ya no es lo suficientemente fuerte para soportar el enorme peso de la maleta. Por lo tanto, bajo la fuerte presión de la capa exterior, el núcleo comienza a colapsar y la materia marchará inexorablemente hacia el punto central hasta que finalmente se forme una estrella de volumen y densidad casi infinitos. Cuando su radio se reduce hasta cierto punto (debe ser menor que el radio de Schwarzschild), la distorsión espacio-temporal provocada por la masa impide incluso que se emita luz: nace un "agujero negro".
El volumen de un agujero negro es casi infinitamente pequeño y su densidad es casi infinita. Esto hace que el agujero negro tenga una masa enorme, por lo que la gravedad es extremadamente fuerte, haciendo que la velocidad de escape en el horizonte de sucesos sea mayor. que la velocidad de la luz. Por lo tanto, distorsiona una cierta extensión del espacio, y cuando el espacio es curvo, la luz sólo puede moverse a lo largo del espacio curvo. Es como si hubiera un camino frente a ti. Si la carretera gira repentinamente, sólo podrás seguir la curva, y lo mismo ocurre con las luces. Después de que el camino adelante se curva, se curvará nuevamente.
En pocas palabras: no es el agujero negro el que atrae la luz, sino la luz que entra en el agujero negro a lo largo del espacio retorcido del agujero negro. Un agujero negro es un objeto en la curvatura del espacio-tiempo que es tan grande que la luz no puede escapar de su horizonte de sucesos.
Conclusión: A las 21:00 horas del 19 de abril, hora de Beijing, apareció la primera fotografía de un agujero negro de la humanidad.
El agujero negro está situado en el centro de M87, una enorme galaxia elíptica en la constelación de Virgo, a 55 millones de años luz de la Tierra, y su masa es aproximadamente 6.500 millones de veces la del sol. Tiene una sombra en su zona central, rodeada por un halo en forma de media luna.
La luz no tiene masa sino sólo energía, y un agujero negro es un cuerpo celeste que carece de energía, por lo que puede absorber de forma natural la energía de la luz. Los agujeros negros son cráteres cósmicos dejados por el Big Bang y son cuerpos celestes que carecen de energía.
Sin masa en reposo, la luz no se vería afectada por la gravedad. Pero según la teoría general de la relatividad de Einstein, el espacio-tiempo en un campo gravitacional ya no es plano, sino curvo. Einstein había predicho durante mucho tiempo que cuando la luz pasa a través de una estrella como el Sol, será desviada. Eddington y otros verificaron las predicciones de la relatividad mediante observaciones astronómicas. Para un cuerpo celeste con una gran masa y una fuerte gravedad como un agujero negro, provocará una fuerte curvatura del espacio y el tiempo, lo que provocará que la luz se escape debido a la curvatura del espacio y el tiempo.
Un agujero negro es un cuerpo celeste extremadamente denso. Su enorme masa y su fuerte gravedad hacen que la velocidad de escape en su superficie exceda la velocidad de la luz, y nada, incluida la luz, puede escapar. Según la teoría de la relatividad, cuando un cuerpo celeste masivo colapsa, el espacio-tiempo en su superficie se curva. Una vez que colapsa a la densidad de un agujero negro, el agujero negro es equivalente a una singularidad en el espacio-tiempo. El espacio-tiempo en la superficie del agujero negro se ha curvado y ni siquiera la luz puede escapar.
La interfaz alrededor de un agujero negro cuya velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz también se llama horizonte de sucesos. La radiación como la materia y la luz solo puede entrar en un agujero negro desde fuera del horizonte de sucesos, pero no puede escapar del horizonte de sucesos. Por lo tanto, el horizonte de sucesos de un agujero negro es la línea divisoria, y la materia y la información dentro del agujero negro no pueden transmitirse al exterior. Además de la radiación del agujero negro predicha por Hawking, el agujero negro es un tipo que solo come pero no escupe.
Esta es una pregunta muy valiosa. Esta cuestión requiere atención a dos cuestiones: una es la naturaleza de la luz y la otra es la cuestión de los agujeros negros que afectan la propagación de la luz.
En primer lugar, en cuanto a la naturaleza de la luz, actualmente creemos que la luz tiene dualidad onda-partícula, lo que significa que la luz es a la vez onda y partícula. No hay conflicto entre los dos. Hablando de eso, me gustaría hablar de un físico que puede que no parezca famoso, pero en realidad lo admiro mucho: De Broglie. Como entusiasta de la física que se convirtió en monje debido a su afición, descubrió que la materia tiene propiedades ondulatorias, unificando así la materia y los campos y convirtiéndose en el fundador de la mecánica ondulatoria. El descubrimiento de De Broglie unificó la materia y las ondas, lo que significa que la luz es a la vez una partícula y una onda. La ubicación de la aparición de un solo fotón es aleatoria, pero una vez que el número de partículas aumenta, obedecerá ciertas leyes estadísticas. En este punto, tenemos que discutir si la luz tiene masa, porque está directamente relacionado con la discusión de la siguiente pregunta.
La opinión generalizada actual es que los fotones no tienen masa. Una vez que una partícula tiene aunque sea una pequeña masa, su velocidad no alcanzará la velocidad de la luz, porque cuando se acerca infinitamente a la velocidad de la luz, su masa se vuelve infinita y, si acelera más, requiere energía infinita. Por lo tanto, sólo los fotones sin masa pueden alcanzar la velocidad más alta del universo: la velocidad de la luz. Pero los fotones transportan energía. Existe una fórmula para calcular la masa de un fotón en función de la energía que transporta. Cuanta más energía transporta, mayor es su masa. Por tanto, decimos que los fotones no tienen masa en reposo, sólo masa en movimiento. No podemos capturar un fotón y detenerlo. Los fotones siempre deben moverse a la velocidad de la luz.
¿Cómo afectan los agujeros negros a la propagación de la luz? ¿Es porque los fotones tienen masa que son atraídos activamente hacia el agujero negro? Personalmente creo que no debería ser así. Según la teoría de la relatividad, la gravedad es en realidad una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, es decir, el espacio mismo alrededor de un objeto masivo no es plano, y la luz siempre viaja la distancia más corta que considera. De esta manera, cuando el espacio se desvía, la luz también se desvía. Cuando el espacio es muy curvado, la distancia más corta que puede viajar la luz es dentro de un agujero negro, por lo que la luz no puede escapar del agujero negro.
Finalmente, déjame hacer una digresión. Mi mente no ha cambiado. ¿Qué hay de malo en esta conclusión que se extrae fácilmente basándose en fórmulas de física de la escuela secundaria? Algo me parece mal, pero no puedo entender cuál es el problema. La fórmula es la siguiente: mv? r=GMm r? m es la masa de los objetos circundantes y puede omitirse. Es decir, no tiene nada que ver con la masa de los objetos circundantes. ¿Podría ser esta una explicación del problema? ¿Son inaplicables los estados de gravedad fuerte, microscópicos y de alta velocidad? Algo parece estar mal. Agradezco tu ayuda.
La luz tiene cualidad dinámica, mientras que toda la materia es dinámica (en movimiento), pero relativamente estacionaria. La luz no es relativamente estática, ésta es su característica: la velocidad constante.
Según la ley de gravitación universal de Newton, la gravedad no tiene efecto sobre las partículas con masa cero, por lo que la gravedad no afecta a la luz. De hecho, según la ley de gravedad de Newton, los agujeros negros no deberían existir. Por muy fuerte que sea la gravedad, la luz siempre puede escapar. Sin embargo, la ley de la gravedad de Newton sólo es cierta en determinadas circunstancias, cuando las partículas se mueven mucho más lentamente que la velocidad de la luz y la gravedad es débil. Al estudiar cómo funcionan los agujeros negros, debemos considerar la ley de gravedad más universal, que es la teoría general de la relatividad de Einstein.
Según la relatividad general, ¡la gravedad no es una fuerza! Esta es una distorsión del tiempo y el espacio. Cualquier objeto masivo distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor. Cuanto mayor es la masa, más grave es la distorsión del espacio-tiempo (arriba). La gravedad afecta cualquier cosa que tenga energía. La fuente de la gravedad en la relatividad general se llama tensor tensión-energía, que incluye densidad de energía, densidad de momento, flujo de energía, flujo de momento (incluidos el esfuerzo cortante y la presión), etc. Aunque la luz no tiene masa en reposo, todavía tiene energía, por lo que se ve afectada por la gravedad en la relatividad general. Debido a que E=mc2, la masa aporta una gran cantidad de energía; por lo tanto, los objetos con masa tienen un fuerte campo gravitacional y otros términos pueden ignorarse, razón por la cual la ley de gravedad de Newton es tan efectiva.
Entonces, cuando la luz pasa a través del espacio-tiempo distorsionado alrededor de un objeto masivo, parece estar curvado, pero en realidad, sólo el espacio-tiempo alrededor del objeto masivo está distorsionado y la luz todavía está en esta curva se propaga a lo largo de líneas rectas en el espacio-tiempo. La luz sigue tomando el camino más corto, aunque parece un poco curvo, lo que parece afectar el movimiento de la luz. Un agujero negro curva el espacio hasta convertirlo en un punto, por lo que la luz entra en el agujero negro en una "línea recta".
La observación del efecto de lente gravitacional en la imagen de arriba verifica la exactitud de la teoría general de la relatividad de Einstein.
En resumen, Newton creía que los objetos se moverían en línea recta sin la acción de otras fuerzas; Einstein añadió que sí, pero en el espacio curvo las líneas rectas no son líneas rectas.
Este problema no puede explicarse únicamente por la gravedad de Newton. Sólo la teoría de la relatividad de Einstein puede explicarlo perfectamente.
Método 1: Aunque los fotones no tienen masa en reposo, tienen masa dinámica. Según la famosa ecuación masa-energía de Einstein: ¿E=MC? Como un fotón tiene energía, debería tener masa, y esta masa se llama masa dinámica.
Dado que la luz tiene masa, ciertamente puede ser atraída por los agujeros negros, pero esta explicación en realidad no es perfecta, porque estrictamente hablando, esta llamada masa en movimiento es solo un concepto equivalente a masa, que puede ser Se dice que es solo una masa imaginaria.
Debido a que la velocidad de la luz debe permanecer constante, los fotones no deben tener masa. Para solucionar este problema, Einstein propuso el concepto de masa en movimiento, que tiene el mismo valor físico que la masa en reposo.
Es equivalente, pero en última instancia no es así. Una explicación así inevitablemente dará a la gente un concepto confuso y puede ser sospechosa de oportunismo.
Método 2: La visión del espacio-tiempo de la relatividad general no tiene gravedad, solo espacio-tiempo distorsionado. La relatividad general utiliza cambios geométricos espaciales más intuitivos para expresar la gravedad. Según Einstein, no existe gravedad alguna. La llamada gravedad es en realidad la distorsión del espacio-tiempo causada por cuerpos celestes masivos.
Tanto los cuerpos celestes como la luz se mueven en el espacio y el tiempo. Cuando el espacio-tiempo se distorsiona, sus trayectorias cambian naturalmente. De hecho, todos se mueven a lo largo de una "línea recta uniforme", o más bien, se mueven a lo largo de las geodésicas del espacio (también llamadas geodésicas).
La tierra gira alrededor del sol porque la masa del sol distorsiona el espacio que la rodea. La línea geodésica sobre la que se mueve la tierra pasa a estar torcida en un círculo, que es la órbita de la tierra.
La enorme masa de agujeros negros distorsiona aún más el espacio-tiempo.
En su radio de Schwarzschild, es decir, en el horizonte de sucesos, todas las geodésicas están torcidas hacia la singularidad central y se extienden infinitamente, de modo que la luz está infinitamente "hacia abajo" (aquí "hacia abajo" significa perpendicular a la cuarta dimensión tridimensional), lo que Parece luz siendo absorbida por un agujero negro.
De hecho, la luz entra por sí sola, al igual que la tierra gira sola alrededor del sol.
Esto explica perfectamente por qué la luz sin masa es absorbida por los agujeros negros.
En resumen, la materia le dice al espacio-tiempo cómo doblarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse. Los agujeros negros representan el límite de la curvatura del espacio-tiempo y la luz representa el límite del movimiento de la materia.
Después de todo, la materia no puede escapar de las limitaciones del tiempo y el espacio.
Cuando se habla de agujeros negros, el lenguaje más riguroso es "espacio". Es muy conveniente e intuitivo hablar de los agujeros negros en términos de "gravedad", pero es fácil caer en la misma lógica que esta pregunta.
Mirando los agujeros negros en el lenguaje del espacio, la luz no será absorbida por el agujero negro, pero la luz en sí no se moverá hacia afuera.
El rayo se moverá a lo largo del extremo de la longitud geodésica. La llamada geodésica es una generalización de la "línea recta". En un espacio plano, como una mesa plana, la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta. Por tanto, en el espacio plano, la luz viaja en línea recta en un medio homogéneo.
Pero es diferente en el espacio retorcido. Para dar un ejemplo común, si nos fijamos en las rutas de los aviones en el hemisferio norte, que vuelan de China a Estados Unidos, siempre van primero hacia el norte y luego hacia el sur. Mucha gente no entiende por qué.
De hecho, tomar esta ruta en este momento es la que más tiempo ahorra.
El espacio del mapa en realidad está distorsionado y esta ruta curva es la línea geodésica del mapa.
Los agujeros negros también pueden distorsionar el espacio-tiempo. Cuando la luz se distorsiona, el movimiento del aire seguirá las geodésicas. El problema es que las geodésicas en el horizonte de sucesos del agujero negro no se cruzan con el exterior, por lo que la luz no puede escapar del agujero negro.
Esta cuestión se puede discutir en dos partes. En primer lugar, se trata del origen de los agujeros negros. Los agujeros negros fueron propuestos por primera vez por el geógrafo británico John Michell en 1783. En aquel momento propuso una cuestión: si un planeta tiene la misma masa que el Sol y un diámetro de sólo 3.000 kilómetros, entonces habrá una enorme atracción gravitacional dentro de un rango específico del planeta, e incluso la luz será casi incapaz de hacerlo. para escapar.
A principios del siglo XX, la teoría general de la relatividad de Einstein creía que la esencia de la gravedad era que las estrellas supermasivas provocaban que el espacio-tiempo a su alrededor se curvara. Cuanto mayor era la masa, mayor era la curvatura. La teoría de la relatividad demuestra la existencia de los agujeros negros.
El físico británico Eddington era un gran admirador de Einstein. Durante un eclipse solar total, descubrió que las estrellas masivas desvían la luz, al igual que los agujeros negros. Entre las estrellas, como la masa del Sol no es muy grande, la deformación espacio-temporal también es muy leve y sólo puede observarse muy cerca del Sol. La luz de las estrellas distantes es muy débil en comparación con la luz solar, y la desviación de la luz de las estrellas cercanas sólo se puede observar cuando ocurre un eclipse solar total y la luz del sol está completamente bloqueada.
Las teorías y experimentos anteriores demuestran que los agujeros negros pueden absorber luz y no pueden escapar.
En segundo lugar, mucha gente conoce muy bien la física. Pensaron que, dado que la luz no tiene masa estática, ¿cómo podría ser absorbida por un agujero negro? ¿No se absorben sólo sustancias de calidad?
Luego tenemos que comenzar con la naturaleza de la luz, cuáles son los componentes de la luz en la historia, desde la teoría ondulatoria de la era de Newton hasta la posterior teoría de partículas, y luego hasta la dualidad onda-partícula actualmente reconocida. . Todo demuestra que la luz no es tan sencilla.
Además, se comprende qué es la masa en reposo y la masa en movimiento, o la teoría de la relatividad de Einstein. ¡Realmente no hay ningún lugar donde esconderse aquí! La masa de una sustancia cuando está en reposo es masa en reposo, y la masa cuando está en movimiento es masa en movimiento. Sin embargo, en condiciones macroscópicas a bajas velocidades, la diferencia entre la masa en reposo y la masa en movimiento es pequeña y puede ignorarse. Pero tomando como ejemplo la alta velocidad, cuanto más se acerca a la velocidad de la luz, la masa se vuelve muy grande. En este momento, la masa en movimiento será mucho mayor que la masa en reposo.
La luz es una onda electromagnética y también está compuesta por fotones. Cada fotón tiene energía. Según la ecuación masa-energía de Cupido, se puede obtener la masa de cada fotón. Aunque esta masa es extremadamente pequeña, también se aplica a la teoría general de la relatividad de Einstein. Cuando un agujero negro devora luz, consume energía y la masa del agujero negro también aumenta.
En otras palabras, los fotones pueden ser capturados rápidamente por el agujero negro dentro del horizonte de sucesos del agujero negro.
A través de los dos puntos anteriores, podemos entender completamente por qué los fotones sin masa estática son absorbidos por los agujeros negros.