引力如何逃脫黑洞？時空扭曲也是引力 作用方式很奇妙

　　沒有什麼能超過光速，而黑洞能陷住包括光在內的一切東西。那麼，引力是如何逃脫黑洞的呢？這個問題很有趣，這能讓大多數人真正理解引力。

　　答案是，引力的作用方式並不是一般人所想的那樣。

對於引力最直觀的認識無外乎這是兩個物體之間的作用力。例如，地球對月球施加引力，而月球對地球亦是如此。

　　牛頓在發現萬有引力定律時，就使用了這種引力的「力學模型」。直到1900年代早期，這才被確定為引力理論，至今我們仍在使用。但在構造這個引力模型時，使用了一些假設。

　　假設我們有一個只有單一質量的宇宙。想像一個朝四面八方延伸的空間，所有質量都集中在其中心，我們記為A。那這樣的質量是否具有引力？如果引力只是一個物體與另一個物體之間的相互作用力，那麼這個答案就是否定的。沒有其他的質量能給A施加引力，所以沒有引力。

　　如果在這個宇宙中增加一個質量，記為B，那麼B和A將會互相施加力的作用，這樣引力就會存在，但引力只存在A和B之間，而宇宙的其他空蕩地方則就沒有。

　　這個力學模型存在的一個問題就是它需要質量跨空間對另一個質量施加力的作用。這個「超距作用」的問題由法國數學家、天文學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace） 在19世紀初部分解決。

　　他的想法是，質量肯定是通過某種能量與另一個質量產生關聯，他稱之為場。另一個質量把這種場感受為一個作用於它們身上的力。

　　所以如果我們再次想像一個孤獨宇宙中的質量A，我們會說A有一個圍繞著它的引力場，即使宇宙中沒有其他質量。這消除了超距作用的需要，因為當我們把質量B放入到宇宙中時，它只是感受到這個位置的引力場，並受到引力的作用。我們知道這個引力場是由於一些距離外的A，而B只是感受到在其位置有一個引力場。

　　這個力學模型和牛頓萬有引力的引力場模型都給出了相同的預測，所以在實驗上這二者並無區別。

　　然而，場的概念更容易用數學來處理，並且場也被用來描述電和磁之類的東西，所以我們一般把牛頓引力視為一種場。

　　但這又會引發另一個問題。假設在A和B的宇宙中，我們突然改變A的位置，那B感受到這個改變需要多長的時間呢？換言之，如果我們改變了A的位置，這個改變將會以多少速度在引力場中傳播呢？

　　當拉普拉斯思考這個問題時，他發現引力場中的變化會立即發生，「引力的速度」將會是無限的。

　　例如，如果引力以光速傳播，地球所圍繞的引力中心將是8.3分鐘前的太陽位置（光從太陽傳播到地球需要8.3分鐘的時間），因此，地球的軌道會隨著時間的推移而變得不穩定。

　　當時，認為引力作用的速度是無限的這個觀點並不被視為一個問題。事實上，它是用作一種論據來反駁當時所提出的替代引力觀點。

　　但在20世紀早期，愛因斯坦提出了狹義相對論，指出沒有什麼能超過光速。如果是這樣的話，那麼我們的引力理論就會出問題了。到了1915年，愛因斯坦提出了一種新的引力理論，這就是廣義相對論，它同時能滿足牛頓的引力模型和狹義相對論。

今年年初，LIGO已經成功探測到引力波

　　根據理論，當兩個大質量天體（如中子星）互相環繞時，它們就會產生引力波，並向外輻射出來。這些引力波將會以光速傳播。而在今年年初已經成功地探測到了引力波的存在。

　　但如果引力以光速傳播，這是否意味著天體的軌道肯定不穩定？事實上，並不是的。

　　當拉普拉斯研究有限速度的引力時，他只考慮了引力速度的影響，但在狹義相對論和廣義相對論中，有限的光速會導致其他影響，如由於相對運動產生的時間膨脹效應以及質量的明顯改變。

　　在數學上，這些效應是源自龐加萊不變性的性質。由於這種不變性，引力的時間延遲和時間與質量的速度依賴效應相互抵消，這樣有效的質量就會吸引有質量的地方。這種抵消效應意味著，對於軌道運動而言，引力就好像是瞬時作用的。

　　但是等一下，既然引力場有一個有限的速度，那怎麼又能產生瞬時作用呢？實際上，引力場並不能這樣，但在廣義相對論中，引力不是一種能量場。

　　早在牛頓之前，一般都會假定在特定的時間下，物質和能量場在空間中會相互作用。通過這種方式，時間和空間可以被視為一個事情發生的背景。空間和時間被視為可以度量的宇宙網格。

　　在發展狹義相對論時，愛因斯坦發現，空間和時間不能是一種絕對的背景。

　　牛頓認為，同一時間發生的兩個事件，在所有觀測者看來都是同時的，但是愛因斯坦發現，光速的恆定需要「現在」這個概念是相對的，以不同速度移動的不同觀測者會對事件發生的順序產生分歧。

地球附近的時空扭曲

　　這一原則在愛因斯坦的引力理論中被發揚光大。在廣義相對論中，引力不是一種能量場。相反，質量扭曲了空間和時間之間的關係。

　　如果我們回到之前的例子中，如果我們把質量A置於一個空無的宇宙中，其周圍的空間和時間的關係被扭曲了。當我們把質量B置於附近時，其周圍的時空扭曲意味著會朝向質量B移動。

　　這看起來就像B被一股力拽向A，但實際上這是由於時空扭曲的事實。

　　正如物理學家約翰·惠勒曾經說過：「時空告訴物質如何移動；物質告訴時空如何彎曲。」

　　這就是為什麼引力作用看似瞬時，但引力波卻以光速傳播。引力並不是一種在時空中傳播的東西，引力就是時空。

　　黑洞由於其龐大的質量，是一種極端扭曲時空。這樣的時空扭曲可以阻止光和物質逃脫。但時空扭曲也是引力，它不需要逃離黑洞，因為它就是黑洞。