(本文冗长。最后有一句话比喻,通俗易懂。)
一句话:因为在黑洞内部,光锥是永远向内的。 (一) 首先解释一个关键的概念,什么是「光锥」。
简单地说,光锥就是光的时空路径——注意是「时空」,而不是「空间」。即,在某时某地发射一闪光,此后光传播所经历到的时空区域就是「光锥」。换句话说,就是能看到这个闪光的时空区域。当然,这严格说是未来光锥。
这样说还是很抽象,举个1维空间的例子。这个世界不妨称之为「1+1维」时空(因为是1维空间+1维时间)。简单起见,假设光速为常数 v=1。
时间 t = 0 时,在空间坐标原点 x = 0 处发生一闪光。这时,因为光以有限的速度 v = 1 传播,其路径就是 x = t 或者 x = - t。这里有两条路径,因为在一维空间里,光能朝「前」、「后」两个方向传播。
画在 (x, t) 平面上,光的时空路径 x = t 或者 x = - t 就是通过原点的45度角射线。这射线就是「1+1维」时空的光锥。如下图所示,红色射线就是光锥。
在这个「1+1维」时空里,只有在光锥上的点,才能看到闪光。比如 (x = 2, t = 1) 这个点,就不在光锥上,也看不到闪光。因为在 t = 1 秒的时候,光还没有传播到 x = 2 处。x = 2 处只有在等到 t = 2 时才能看到闪光,于是 (x = 2, t = 2) 这个点正好就在光锥上。
上面这个例子很容易推广到真实的「3+1维」时空(3维空间,1维时间),只不过这时候射线变成了锥子(当然是3维的锥子),所以叫光锥。
所以光锥是时空的一个截面,维度比时空少一维。光锥的存在正是因为光速有限。
更物理地说,光锥是时空的一个「界限」,即,能发生因果关联与否的区分边界。因为光速是最大速度,光在光锥表面传播,其他信号在光锥内部传播,所以光锥内部就是可发生信号联系(因果关联)的区域,光锥外则是不可能有因果关联的区域。
以下图为例(引子wiki)
这里展示的是「2+1维时空」:2维空间(横向)+1维时间(纵向)。A代表某时某地一「事件」,光锥内部(上图黄色区域)就是A事件未来可影响到的时空区域,比如B点(下部黄色区域代表可以过去可能影响过A的时空区域);而光锥外的其他区域,过去、未来都不可能与A事件发生关联,比如C点。 (二) 回到光传播的问题上。
广义相对论说,时空可以弯曲。于是在这个弯曲的时空里,光就不一定走 x = t 或者 x = - t 这么简单的直线了。比如在「1+1维」的时空里,光的路径可能就是这个样子: