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中子星的表面重力是地球的7000亿倍,掉向它的物体能超过光速吗?

在地球上有一个很常见现象,当一个物体从高空下坠的时候,它的下坠速度会越来越快。而造成这个现象的原因就是地球的重力加速度,通常来讲,一个物体的下坠时间越长、高度越高,它的速度就越快。


根据这个现象,我们很容易就可以想到,如果一个物体无限地往下掉,它的速度就会无限地增加,随着速度的不断增加,最终这个物体的速度就应该会超过光速。

这种可能性存在吗?

考虑到地球的重力加速度约为10米/平方秒,这与光速相差太大,因此,笔者认为,我们不妨用中子星来讨论这个问题,原因是中子星的重力非常的离谱。


相关资料显示,一颗标准中子星的表面重力是地球的7000亿倍,其表面重力加速度可达到(7x10^12)米/平方秒。

根据科学家的计算,一个距离中子星表面1米的、初速度为零的自由落体,在落地时的速度可达到每小时大约100万公里!既然中子星的重力加速度如此惊人,那么在距离中子星表面更远的地方,掉向它的物体能超过光速吗?

先说答案,这个物体是不可能超过光速的,具体且看以下分析。

根据公式,重力加速度g=GM/r^2(在这里G为引力常量,M为中子星的质量,r为物体距离中子星质心的距离),我们可以看到重力加速度的大小是与距离的平方成反比的。

自由落体与星球质心的距离越大,受到重力加速度就越小,在地球上,因为地球的半径很大(约为6371公里)而重力相对较小,所以一般的高度都对重力加速度影响不大。


而中子星的结构却非常致密,其半径通常都为十几公里,因此在中子星上,自由落体的高度稍微增加一点,其受到的重力加速度就会大幅度地减少。

简单地讲,就是距离中子星一定的距离的自由落体,其受到的重力加速度,要比中子星表面的低很多。

我们也可以从逃逸速度的角度来分析这个问题,在不受外力的干扰下,当一个物体达到了一颗星球的逃逸速度时,它就可以逃逸到离这个星球无限远的距离。


反过来讲,如果一个物体由无限远的距离,从静止状态向一颗星球做自由落体运动时,它能达到的最大速度也就是这颗星球的逃逸速度。

事实上,中子星表面的逃逸速度在理论上的最大值为15万公里/秒(光速的一半),也就是说,不管你将物体放在离中子星表面多高的位置,当它从静止状态相对于中子星做自由落体运动时,它的速度都是不会超过15万公里/秒的。


可以看到,这个原理适用于宇宙中所有的天体,现在就有了一个问题,宇宙中还有一种比中子星引力更大的天体,那就是黑洞。在黑洞的事件视界以内,其逃逸速度就达到了光速,这也就意味着在黑洞的内部,可能存在着超光速的现象。


但到目前为止,黑洞仍然是我们无法理解的天体,甚至很多科学家都认为我们已知的所有物理规律,在黑洞的内部都可能失效,因此我们这里就不探讨这个问题了。

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