坠向黑洞的物质能达到光速吗

黑洞有强大的引力，物体掉进黑洞的速度能达到光速吗？

在中学阶段曾学过重力势能，很多人依然记得当时学过的重力势能的表达式Ep=mgh，等式左边的Ep代表重力势能，等式右边的m为物体的质量，g为重力加速度，h是物体距离地面的高度。从这个表达式中可以看到，物体离地面越高，其重力势能就越大。

　　

看到这个表达式，有人经常问这样的问题：离地面很高的位置，重力势能就会很大，物体从那样的高度掉到地面上，重力势能转化为动能，物体的速度是不是就非常大？大到能够达到光速？

物体从高处掉下来速度不可能达到光速，远处的陨石掉到地面上速度最多也就是70千米每秒多一点，之所以不能继续增大是因为g不是一个定值。中学阶段一般只研究地面附近的情况，在地面附近重力加速度g可以认为是一个定值，而在离地面很远的位置重力加速度会变小，并且是与到地心距离的平方成反比，g减小得非常快。

Ep=mgh只是中学阶段的重力势能表达式，在这个表达式中规定物体在地面处的势能为0。如果是涉及到大尺度的情况下，一般规定无穷远处的引力势能为0。物体由无穷远处掉到地球的过程中万有引力对物体做正功，物体的引力势能会减少，并且万有引力做了多少功，引力势能就减少多少。这样可以推出物体在地球附近的引力势能表达式为Ep=-GMm/r，其中M为地球的质量，m为物体的质量，G为万有引力常量，r为物体到地心的距离。从这个表达式中就可以看出，物体从无穷远处到达了地球，它并非是减少了无穷多的重力势能。

　　

同样的道理，物体和黑洞组成的系统的引力势能也是将无穷远处定义为势能为0，物体由无穷远处到达黑洞附近引力势能要减少，减少的引力势能也并非是无穷大。物体掉到黑洞中，速度不会是无穷大。另外由于相对论效应，物体的速度也不会达到光速。

黑洞有强大的引力，物体掉进黑洞的速度可以超过光速吗？

在中学阶段曾学过重力势能，很多人依然记得当时学过的重力势能的表达式Ep=mgh，等式左边的Ep代表重力势能，等式右边的m为物体的质量，g为重力加速度，h是物体距离地面的高度。从这个表达式中可以看到，物体离地面越高，其重力势能就越大。

看到这个表达式，有人经常问这样的问题：离地面很高的位置，重力势能就会很大，物体从那样的高度掉到地面上，重力势能转化为动能，物体的速度是不是就非常大？大到能够达到光速？

物体从高处掉下来速度不可能达到光速，远处的陨石掉到地面上速度最多也就是70千米每秒多一点，之所以不能继续增大是因为g不是一个定值。中学阶段一般只研究地面附近的情况，在地面附近重力加速度g可以认为是一个定值，而在离地面很远的位置重力加速度会变小，并且是与到地心距离的平方成反比，g减小非常快。

Ep=mgh只是中学阶段的重力势能表达式，在这个表达式中规定物体在地面处的势能为0。如果是涉及到大尺度的情况下，一般规定无穷远处的引力势能为0。物体由无穷远处掉到地球的过程中万有引力对物体做正功，物体的引力势能会减少，并且万有引力做了多少功，引力势能就减少多少。这样可以推出物体在地球附近的引力势能表达式为Ep=-GMm/r，其中M为地球的质量，m为物体的质量，G为万有引力常量，r为物体到地心的距离。从这个表达式中就可以看出，物体从无穷远处到达了地球，它并非是减少了无穷多的重力势能。

同样的道理，物体和黑洞组成的系统的引力势能也是将无穷远处定义为势能为0，物体由无穷远处到达黑洞附近引力势能要减少，减少的引力势能也并非是无穷大。物体掉到黑洞中，速度不会是无穷大。另外由于相对论效应，物体的速度也不会达到光速。

一个物体黑洞中无限往下掉，会超光速吗？

在大家的认知中，一个物体在引力场中一直往下掉，它的速度似乎并没有限制，只要这个距离足够长而且中心质量体无限大，那么终有一天这个下坠速度会超过光速？但事实上却不会发生这样的情况，我们从两个角度来解释这个有趣的问题，如果您信任爱因斯坦，那么请看第一个解释，如果你不信，那么请看第二个解释。

自由落体与能量守恒

牛顿力学中的自由落体加速度计算应该是比较熟悉的，毕竟中学里就有，不妨来回忆下。

V=GT

V就是光速，G为重力加速度，选择种花家最近的上海 g=9.794米/秒^2为参考

T=V/G=299792458/9.794=354.28天

如果按照经典力学的解释，在这个恒定的引力场自由落体加速下，一年不到即可达到光速，当然从理论上来看，一年之后就该超过光速了。但事实上在这个情况是不存在的，因为牛顿经典力学它的应用范围是低速运动，比如10%光速以内，它的误差还是比较小的，一旦超过这个范畴，它的误差会越来越大，比如质速就遵守如下曲线关系。

就像计算黑体辐射的公式一样，维恩公式和瑞利-金斯公式都存在各自适合的范围，因为黑体辐射大家都知道，也能计算，所以普朗克的黑体辐射公式很容易就获得了信任，但质速关系很难理解，因为我们还达不到这样的速度，但其实在近地轨道的卫星就必须考虑它所带来的钟慢效应（和质速增加比例是一致的）。那么如何才是考虑整段速度的计算方式呢？放心，爱老头已经给我们准备好了。

综合一下，公式就是：E=mc^2/√(1-v^2/c^2) -mc^2

上述公式中m为物体的静止质量，在相对论质增效应下，这个速度会越来越慢，最终趋向于0，所以这个E的能量增加是有限的，最终的速度也无法超过光速。

黑洞的吸积盘

除了黑洞外，在宇宙中找不出任何一个与文中假设条件相似的去处，因为它的逃逸速度超过光速，连光都无法逃脱，那么物质在下落过程中会超过光速吗？其实在这个话题中有一个非常令人迷惑的陷阱，因为很多朋友认为：

在越过了视界之后物体存在超光速下坠现象

其实种花家要给出的答案是，越过了世界之后物体的速度可能比物质在吸积盘中的速度还要慢，为什么呢？且听种花家做个简单分析，如果您觉得不合理，不妨留言或者私信讨论。

1、为什么物质不会直直下坠？

我们观测到的现象是黑洞或者中子星甚至白矮星与恒星诞生，都伴随着一个吸积盘，这是因为物质在引力场中下坠的过程并不是理想的状态，而是会受到多方影响，因此它下坠的理想直线将会成为一条螺旋曲线，因为存在了切线方向的加速分量，环绕着下坠成了必然选择。

2、越过了视界之后会超过光速吗？

这是很多科普作者误解的地方，尽管黑洞视界内我们不可能了解，但可以根据现有的物理规律去推测黑洞视界内的情况。

根据引力场中的时间交换比来推算，在越过黑洞视界时，它的时间将是停滞的，越过视界之后呢？它会倒流吗？很明显不能，会加速吗？没有理由！最大的可能是它仍然是停滞的，那么过了视界之后无论它将以多快的速度下坠，对于无限长的时间来说，它的速度也许比你的步行还要慢，如果以观测者的时空来分析这个下坠，它永远都掉不到“黑洞的中心”！

很有意思的一个讨论话题，居然牵扯车黑洞视界内的世界，其实《三体》中掩体世界里就有一个捕获的黑洞，有一个人掉下去了，他最后的身影留在视界上，在掩体世界的时空观来看，他永远都会停留在这个生死之间的阶段，刚开始的时候不明白，但后来了解了黑洞的德行之后也就明白这个道理。这就是广义相对论的时空观，在宇宙的不同条件的区域，时间的流逝是不一样的。

黑洞具有足够的引力来加速一个物体已达到光速，那么如果物体坠入黑洞，会不会超光速？于爱因斯坦不符？！

目前在黑洞视界外部的物体是不会达到光速的，视界内部的物体会不会还不知道（从经典广义相对论来看是不会超光速的），可是黑洞视界内部广义相对论不适用，必须考虑量子效应，即量子引力理论。但是目前量子引力理论还很不成熟。 当前基本上没有量子引力理论说黑洞视界内物质会超光速，不过即使会超光速，由于此时爱因斯坦的理论已经不适用了，所以不符合也没关系。

黑洞边缘物质进入黑洞内部，粒子速度会超过光速？

不可能，完全就是无稽之谈，目前，我了解到的可靠的消息是，在全世界里面，最快的是欧盟粒子加速器，因为当粒子的速度接近光速时，质量会发生变化。因此，在加速过程中应不断调整，但速度绝不会超过光速，当光速是宇宙最快的速度时，这是建立相对论的前提，到目前为止还没有发现超光速物体。

当你问这个问题时，每个人都只能回答这是一个客观事实，而且是没有任何理由的，就像为什么小明出生的父母就是他的父母一样，因为上限光速是客观观察结果。当然，这个结果不是那么直观或直接观察到的，但是对于一个没有任何体能训练的人来说，这是一个可以接受的答案，如果你对他是如何观察的感到好奇。

你可以看到很多人的答案，他们将讨论迈克尔逊莫雷他的实验，而且他从这些实验中，他们发现光速似乎不能更快，光速相对于某一参考系统是恒定的，这是一个直接的观察结果，也是一个客观的事实。然后爱因斯坦打开他的大脑，使用一系列公式和相对论原理，他得出结论光速是所有物质速度的上限。

这一系列的推导已经接受了许多实际测试，并且符合客观现实。但是如果你想知道更多，你必须学习狭义相对论，学习之后，您将了解如何从恒定光速中推出最大光速，当然，还有一个问题就是，如果你理解相对论的特殊理论，那么你就会知道在你的问题上有一个等价的陈述，叫做洛伦兹变的一个问题，如果你这样问，有人会明确的告诉你，答案是广义相对论，因为时空是直的，广义协变成洛伦兹协变。

关于黑洞边缘物质进入黑洞内部粒子速度会超过光速的问题，今天就解释到这里。