如何簡單理解愛因斯坦預言「黑洞」的廣義相對論？

（專家：文達，原City University of New York數學教授，科普中國微平台原創首發）

黑洞或為蟲洞，是通往另一個世界的入口（圖片來自網路）

愛因斯坦廣義相對論預言的「黑洞」，現在已經被天文學的發現完全證實！很多人以為，要弄懂廣義相對論，必須懂得很多高深數學和物理，例如微分幾何、張量分析等赫人的科目。其實，只要用心思考，一般人也可以領會其基本意義。

下面，我們用例子來簡述廣義相對論的基本意義。

大家都知道，人坐在宇宙飛船，在遠離地球的宇宙空間航行，會產生失重現象。

現在設想有一架十分大型的宇宙飛船，裡面有一間四十平方米的房間，其中有三米高的天花板，地板，桌子，椅子，大床，總之，一切設置如地球上的房間。宇航員就住在這樣的房間里。當時這個宇宙飛船正沿著從地板指向天花板的方向，以9.8米/秒*秒的恆定加速度前進。儘管當時宇宙飛船遠離地球，遠離任何引力場，宇航員的感覺和生活與地球家裡的感覺和生活完全一模一樣，沒有一點失重的感覺存在。為什麼？因為人們生活在地球上，根據牛頓萬有引力定律，總是受到(質量X9.8米/秒*秒)重力的吸引，而這艘宇宙飛船雖然遠離引力場，但有9.8米/秒*秒的加速度作用於地板(沿著從地板指向天花板的方向)，這就相當於人站在地球上。這就是愛恩斯坦廣義相對論的「等效原理」(equivalence principle)!

假設有一位工藝十分精湛的技師，來到一個質量等於地球十倍，半徑和地球差不多的行星上。這位技師用該行星大量出產的大塊金剛石，運用最精密的光學儀器，和最先進的切削和打磨工具，造成一塊他認為最平滑的金剛石檯面，然後把這檯面運回地球。地球人會發現這塊在外行星看來是絕對平滑的檯面，來到地球後，成了彎曲的！

為什麼？因為這個行星表面引力場比地球表面的引力場強大得多。而人們看東西是沿著光線去看的。光線受引力場作用變成彎曲，雖然光線是曲的，但人感覺是直的。當回到地球後，金剛石檯面的外形和物理性質並無改變，而光線在地球表面沒有在外行星那麼彎曲，所以在地球上，這檯面看起來是彎曲的。這就是愛因斯坦廣義相對論的「引力場使時空彎曲」的原理，及光線在強引力場下彎曲的原理。

引力場的存在是造成「時空彎曲」的原因（圖片來自網路）

設想某種外力或內力把太陽這個龐然大物，壓縮成直徑只有幾公里的球體。這個球體表面的引力場極其強大，強大到它內部及表面附近的任何光線和射線都不能夠逃離。為什麼？由於萬有引力的存在，任何物體要脫離星球必須達到一定的逃逸速度。例如地球上的任何物體要離開地球進入宇宙空間，就必須達到11.2公里/秒的速度。因為黑洞的引力場極之強大，經計算，其逃逸速度超過光速(三十萬公里/秒)，因此，任何光線和射線都不能夠逃離。這就是愛因斯坦廣義相對論預言的「黑洞」，現在已經被天文學的發現完全證實！

編輯：何鄭燕 趙翠

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