当光速进入黑洞时,它的速度是多少?

时间:2021-10-07 09:04:12   作者:
这个问题很微妙。在引力场中光速遵循的定律是局部洛伦兹协方差定律(也称为局部洛伦兹不变性)。

局部的意思是,这个定律只在一个足够小的体积内,在任何点周围,而其他两个词的意思是,洛伦兹变换。简单地说,当且仅当考虑的体积足够小时,狭义相对论在任何地方都成立(不需要使用广义相对论)。这就是为什么我们需要考虑广义相对论的时空曲率,因为即使是轻微的曲率也会导致明显的变化。

狭义相对论的成立意味着它的两个假设成立(第一个对于这个讨论来说更重要):
 
  • 1、光速的真空速度在各个方向上都是c。
  • 2、物理定律对所有速度都是一样的。

局部洛伦兹协方差意味着,无论某一点有多大的曲率(除非它是无穷大,就像黑洞奇点),当且仅当我们考虑足够小的体积时,光速在各个方向上都能精确测量到c。我们需要考虑的体积有多小取决于该区域的时空曲率和所经历的任何非惯性加速度(等效原理将普通的加速度与引力的影响联系起来)。随着体积的增加,测量到的光速将不再是c。

用外行人的话来说,我们总是用c在足够小的距离上测量光速。随着距离的增加,我们将测量一个取决于该区域的时空曲率和我们所经历的任何非惯性加速度的方差。我们的当地测量杆(尺)和我们的当地时钟是在当地条件下设置的。就像一只狗试图抓住自己的尾巴,但永远不会这样做(不管它们追得多快或多慢),我们永远不会测量光的真空速度,除非我们用当地的尺子和时钟测量。我们如何定义距离和时间取决于我们对光速的局部测量。

看下面的球体。如果我们把那个小蓝点放大,它看起来会很平。同样地,如果我们放大足够大,即使弯曲的时空也看起来是平的。完全平坦的时空,以恒定的速度运动=在每个方向上以光速c测量,直到无穷大。我们可以说时空是弯曲的,因为在足够大的距离上,我们不能精确地测量光速,而且光也不能完全直线传播(我们在一个地方定义直线)。

当光速进入黑洞时,它的速度是多少

所以答案是,一个局域观测者仍然会测量光速为c。然而,当观测者朝黑洞下落时,我们可以认为局域的速度会变得越来越小。随着我们不断下落,最终我们会开始感受到潮汐力。当这些潮汐力开始吸引我们的时候,我们同时会注意到,我们对光速的测量有更大的差异。当我们非常接近奇点(如果奇点存在的话)时,我们就不能再假设狭义相对论了,即使是在非常小的距离内,因此任何对光速的测量都会发生巨大的变化。最终,甚至原子大小的距离也将不再是局部的。注意:对于一个不旋转的黑洞,潮汐力只取决于与奇点的距离,而不是跨越视界。一个巨大的超大质量黑洞仍然有微小的潮汐力远在视界之下但一个微小的黑洞有巨大的潮汐力远在视界之上。

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对于黑洞外的观察者黑洞在空间中有一个位置所以与它有一定的距离但是在视界下发出的光永远无法到达它们。在这个非局域距离上,光速将被测量为零或甚至是负的(因为视界以下的光向后落入奇点)。对于外界的观察者来说,光速在奇点处是负无穷(但对于外界的观察者来说,似乎没有任何东西越过视界)。然而,没有外部观察者能够测量这些速度,而且它们肯定不是本地的。本地的观测者总是用c来测量光速。
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