廣義相對論(入門)
史瓦西半徑(Schwarzschild radius)
/ SHVARTS-shilt /
你得把一個物體壓縮到多小,它的重力才會強到連光都逃不出來?把太陽壓成一顆直徑約 3 公里的球,或把整個地球壓成一顆彈珠大小,它就會變成黑洞。這個臨界尺寸就是史瓦西半徑:一個僅由質量決定的長度,標出一個尋常物體與一個被事件視界包裹的物體之間的門檻。
它由一條漂亮而簡單的公式給出,r_s = 2 G M / c^2,與質量 M 成正比增長。一個快速的牛頓式啟發算法,把脫離速度設為光速,(1/2) v^2 = G M / r 且 v = c,會得到 r = 2 G M / c^2,落在完全相同的數值上,儘管那個推導得到正確答案有一部分是運氣。在史瓦西度規中,r_s 正是時間-時間分量 1 - r_s/r 為零之處,標出一個不自轉黑洞的事件視界。
每個質量都有一個史瓦西半徑,但對尋常物體而言,它荒謬地深埋在物體內部,遠小於物體本身,因此不會發生任何戲劇性的事。這個半徑只有在質量被壓縮到它以內時才變得有物理意義。關於牛頓式推導的提醒值得記住:光並不是真的像被丟出的球那樣「達不到脫離速度」,而那個因子 2 的巧合掩藏了真正相對論性的物理。r_s 正確的意義是幾何的,是視界形成的位置,而非一個牛頓式的脫離速度計算。
一個 70 公斤的人,其史瓦西半徑約為 10^(-25) 公尺,遠小於一顆質子;而我們銀河系中心那個約四百萬倍太陽質量的超大質量黑洞,其史瓦西半徑約為 1200 萬公里,大約是水星軌道的五分之一。
r_s 隨質量縮放:從人的次原子尺度,到星系黑洞的行星尺度。
「脫離速度等於 c」的牛頓論證,是靠因子的巧合湊到正確的 r_s,而非靠正確的物理;光不是一顆慢速的拋體。把那個推導當作助記法,真正的意義要以度規為準。
又称
另见