光一直以光速向前传播，可为何光逃离不了黑洞？ 第1页

（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：

根据时空弯曲的程度，光可以走各种扭曲的路径。

上图中，虽然光的路径已经被扭曲，但是左边 x1(t) 还是在朝「左」传播，右边 x2(t) 还是在朝右传播。那么一个自然的问题是：有没有可能扭曲成这个样子：

也就是说，无论光自己以为在朝哪个方向传播，实际上都是在朝左传播？回答是当然可能！这正是光无法离开黑洞的关键！

具体而言：对于比较正常的时空里的正常的光锥，光可以（沿着光锥表面）向前后左右任意空间方向传播。但是在黑洞内部，光锥被扭曲，光锥的所有空间方向都朝向黑洞内部，使得光只能向内传播。

（三）

以最简单的不带电不旋转黑洞即「Schwarzschild黑洞」为例。

下图（引自wiki）中左边白色区域为黑洞外，右边黑色区域为黑洞内。在左边即黑洞外，光锥比较正常，光可以朝两个方向传播——比如朝左也就是背离黑洞，或者朝右也就是朝向黑洞。

如果我们靠近黑洞，如下图（引自wiki），光锥开始扭曲，明显开始朝黑洞倾斜。于是光倾向于向黑洞（朝右）内传播，只有少部分可以背离黑洞（朝左）。

如果我们进入黑洞内部（黑色区域），如下图（引自wiki），这时，光锥完全被扭曲，光锥的任何方向都是指向黑洞内部。也就是说，光无论怎么传播，都是在「朝内」传播。

下图（来自网络）是个更形象的说明：

圆柱代表黑洞视界，圆柱内是黑洞内，圆柱外是黑洞外。黑洞外光锥被扭曲的不厉害，光可以朝向黑洞也可以背离黑洞。黑洞里面，光锥完全倒向黑洞内，光锥的所有方向都指向黑洞内，于是光无论朝哪个方向传播都是在向内传播。

总之，一句话，在黑洞（视界）内部，时空被扭曲了——只有向内，没有向外。

最后，如果觉得还是很抽象的话，可以考虑这样的例子（虽然不严谨，但本质上一个道理）：

你在坐高铁，你以为你可以来回走动，但是因为你不可能比高铁走的更快，所以在地面上的人看来，你只能永远在朝前走，就像光在黑洞内只能永远朝里走。