光并非被信息進(jìn)去的,，而是自己大搖大擺走進(jìn)去的。

物體的被黑洞吸引的理論,，來源于蘋果落地的故事,，這個理論在1900年以前的確可以很好的解釋物體為什么會落地。牛頓對于這個現(xiàn)象的解釋是力,，即F=ma,，力的大小與物體的質(zhì)量和加速度有關(guān)，因此大家認(rèn)為如果光子的質(zhì)量為0,，引力mg=0,，光子壓根不受力，那么為什么會被黑洞“吸走”,？

圖：黑洞吞噬光

關(guān)于這個問題,，牛頓有牛頓的解釋方法,，不過太為牽強(qiáng),，而愛因斯坦的解釋更為靠譜,，就是比較抽象,，我們先由淺入深說說牛頓的，再說說愛因斯斯坦的,。

一,、牛頓——萬有引力

• 引力加速度
• 逃逸速度
• 黑洞視界

二、愛因斯坦——廣義相對論

• 引力時空彎曲
• 一維到四維時空的螞蟻
• 簡述時空幾何
• 黑洞的曲率
• 光只是走了正確的路線

三,、光子的質(zhì)量與光子的宿命及宇宙的終結(jié)

萬有引力

• 引力加速度

圖：萬有引力公式

根據(jù)牛頓的萬有引力定律,，我們可以知道引力的大小與兩個物體的質(zhì)量和距離有關(guān)系,。

圖：引力加速度

根據(jù)牛頓第二定律的重力大小F=mg,，帶入萬有引力公式就可以得到引力的加速g。加速度的作用是決定物體往下掉的加速程度,，或者說引力就不存在力的作用,，它等效于加速與減速的作用。

如果一物體有一定的初始速度朝向地球發(fā)射,，此時引力就像在踩剎車,，例如火箭，隨著初速度減到0時,，火箭就會在空中靜止,。之后加速g會繼續(xù)作用，如同踩油門,，所以火箭會不斷加速下落,。可見這個過程與質(zhì)量半點關(guān)系都沒有,。

圖：上升——停止——降落

不過距離r與g有關(guān)不能忽略,，當(dāng)火箭還在減速往外飛時,，它離地球越來越遠(yuǎn)，r越來越大,。因為g與r的平方成反比,，所以g會越來越小，即火箭飛得越高,，減速的程度就越小,。如果我們初始速度足夠大的話就克服地球的重力加速g，從而逃離地球的引力支配。

圖：扔標(biāo)槍

通俗點來說，就是我們?nèi)绻覀冇凶銐虻牧α砍炜杖映鲆粋€石頭,，石頭是有可能飛出地球的（不考慮大氣因素）,，而這只和初始速度v有關(guān)，和物質(zhì)無關(guān),，質(zhì)量只是決定了物體要得到這個初速度需要用多大的力量,。多大的初始速度才能逃離地球？公式夠多了,，這里就不贅述了,，想了解網(wǎng)上一搜就有，這里直接給出：

圖：第二宇宙速度，也是火箭逃離地球控制的速度,。

從逃逸速度公式看,，我們發(fā)現(xiàn)跟要逃逸的物體質(zhì)量還是沒有什么關(guān)系。物體能否擺脫星球取決于星球的半徑和質(zhì)量,。

圖：初始速度小于逃逸速度（不考慮第一宇宙速度）

根據(jù)逃逸速度公式,，如果有一個星球質(zhì)量超級大,，半徑超級小，那么這個星球的逃逸速度就會非常大,，所以逃逸速度也是衡量天體強(qiáng)弱的一個參數(shù),。

圖：黑洞的質(zhì)量與體積

光的速度是不變的,，如果一個星球的逃逸速度大于光速，那么光速就無法逃逸了,。質(zhì)量非常大,，體積無限小的星球不就是黑洞的奇點嘛！

圖：史瓦西黑洞與史瓦西半徑。

當(dāng)我們把光速C帶入逃逸速度公式,，可以得到光是否能逃離的臨界半徑R,。光離黑洞的距離大于半徑R，光就可以在黑洞踩剎車停下來之前跑掉。當(dāng)進(jìn)入半徑R內(nèi),，光速就無法逃離了,，進(jìn)里面的光出不來，無法帶出黑洞中的信息,，所以在這個臨界半徑里面一片黑暗，因此我們叫它黑洞,，而這個臨界點叫做視界,，意為視覺的界限。

時空扭曲

• 引力時空彎曲

愛因斯坦在1915年發(fā)表了《廣義相對論》,，他在論中指出,，引力并非是力的作用，而是時空彎曲,。當(dāng)有質(zhì)量的物體存在于時空中,，那么它周圍的時空就會因為質(zhì)量的原因產(chǎn)生幾何變化，如下圖所示：

圖：質(zhì)量物體在時空中運(yùn)動，它的周圍會出現(xiàn)時空彎曲

拆解成二維的比較容易理解,，我們隨便對時空切一刀,，我們會得到一個二維的平面。當(dāng)質(zhì)量出現(xiàn)在時空中,，二維平面會因為質(zhì)量的影響向質(zhì)量方向塌陷。

圖：為了便于理解把圖片反過來了,，實際上正確的方式應(yīng)該反過來看，想像成床單蓋住了小球

如果小黃球為太陽,，那么此刻在太陽形成的引力場中（扭曲的時空中）有一個作為地球的小球以一定的初速度沖了進(jìn)來就會像下圖一樣：

圖：地球會圍繞著太陽一直轉(zhuǎn)

有人可能會認(rèn)為小球最終會掉下去撞到大球,，的確會這樣,，這是因為地球存在重力，記住兩點：

• 小球是因為此刻地球扭曲了地球周圍的時空使小球往下掉,，
• 請忘掉引力的作用,，因為當(dāng)用廣義描繪引力時，牛頓的引力就不要考慮了,，這樣會重復(fù),。

當(dāng)我們把這個二維實驗在大腦中還原成為三維空間，甚至是四維時空時，那就是廣義相對論的質(zhì)量使時空彎曲,，彎曲的時空告訴物體如何運(yùn)動,。

圖：物體的質(zhì)量不同,，時空的曲率不同

• 維度

時空是物體的路徑，如果時空彎曲,，那么原本走直線的小球也會跟隨彎曲,。我們先以一維來說明一下，一條線,，線上有只小螞蟻,，小螞蟻只會在線上前進(jìn)或者后退。此時如果用二維的視角來彎曲這條線,，二維可以看到直線彎曲了,，但對于螞蟻來說它是感受不到維度的變化的。它也只能跟著直線的變化走“曲線”,，并且同一速度走曲線的時間要長,。（不考慮螞蟻的維度）

我們把線換成二維的面,，也讓它彎曲，從三維視角來看,，就像有一個坑：

就像螞蟻只能跟著一維線走曲線,，不能走紅線一樣,，二維平面運(yùn)動的物體也只能往坑里走，但是它自己是感覺不到它進(jìn)坑了,，因為二維就是一個面,。

圖：螞蟻的路徑

如果有兩只螞蟻,，一個從二維坑中過，一只從旁邊過,，你會發(fā)現(xiàn)走坑用的時間比不走坑的時間要長,。當(dāng)二維彎曲變?yōu)槿S彎曲時，我就無法簡單的畫出來了,，因為需要從四維的視角去看,。

圖：時空扭曲,，并不完美,，但意思是對的。

同理光速相同,，曲率越大,，光走過花的時間就越長，即曲率越大時間流速越慢,。（引力時間膨脹,，這里不展開講了，不是本文的重點）

我們回顧一下一維到三維,，一維螞蟻走曲線在它看來走的是直線,，二維有坑,，物體入坑再出來同樣會認(rèn)為自己在一個平面上,，走的是直線。

當(dāng)三維空間扭曲的,，就要靠想象力了,，先說一下三維時空曲率的特性。

圖：在歐式幾何中三角形內(nèi)角和為180度

圖：球形幾何中,，三角形內(nèi)角和大于180度，想像一下在地球的表面畫一個三角形

在球形幾何中,，直線路徑為大圓,，物理學(xué)中把球形幾何中過非同一直徑上的兩點所切的唯一一個大圓叫做“測地線”。

然而時空的扭曲并不是球形幾何,，它的三角形內(nèi)角和小于180度,。

圖：時空曲率

圖：比較,，中間為時空的幾何,。

這些都理解了我們回到黑洞的問題，黑洞的空間極度扭曲,，在視界之內(nèi)的時空的測地線都指向黑洞的中心“奇點”,。視界內(nèi)的空間中的三角形無限逼近于一條直線,，指向黑洞的角，角度幾乎為“零”,。

一旦進(jìn)入視界之中,，所有無論你從哪個方向看去，前方都是奇點,，光子并非被黑洞吸進(jìn)去,，它只是按著時空中的直線行進(jìn)而已,并且由于時空的扭曲連回頭路的終點都是奇點，所以一旦進(jìn)入黑洞的視界我們無法出來,，不是不想出來,，是沒有路。

圖：黑洞時空曲率效果圖

光子的宿命與宇宙的宿命

那么光最終去哪了呢？首先奇點的意義為數(shù)學(xué)上“無法解釋”的一個點,，黑洞內(nèi)到底有沒有奇點,，這個點有多致密，目前都只是猜測,，因為誰也無法進(jìn)去看看再出來,。但我們能肯定的是黑洞內(nèi)有質(zhì)量。在愛因斯坦質(zhì)能等價方程告訴我們,，質(zhì)量只是能量的另外一種形態(tài),，所以光子并非沒有質(zhì)量，只是沒有靜態(tài)質(zhì)量,，我們可以根據(jù)E=mc^2,推導(dǎo)出光子的質(zhì)量m=E/c^2,。

圖：一切物體的靜態(tài)質(zhì)量的起點,，都源于希格斯場賦予基本粒子的能，光子不受希場影響

大量的光子進(jìn)入黑洞之后有很大的可能性等價為黑洞的質(zhì)量,，畢竟能量需要守恒,，哪怕是黑洞也要遵守。如果黑洞可以稱體重,，隨著它吞噬大量能量與物質(zhì),，它的體重肯定會增加，但是霍金說黑洞也會慢慢蒸發(fā),，隨著宇宙的演化,，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，黑洞可能成為宇宙最后的負(fù)熵保持者,，直到最后一個黑洞蒸發(fā)殆盡,，宇宙或許將區(qū)域平衡,，時間、空間將不復(fù)存在,！

圖：黑洞蒸發(fā)