理论上，只要经过一定程度的压缩，任何物体都可以变成黑洞。黑洞最初是广义相对论的预言，但通过经典物理学，可以推导出物体被压缩到何种程度时就能变成黑洞。

黑洞之所以不发光，是因为黑洞的强大引力会把光束缚住（或者说光在黑洞的极端弯曲空间中无法逃脱出来），使得这种特殊天体的表面逃逸速度刚好就是光速。

假设一个天体的质量为M，半径为r，离天体无穷远之处的引力势能为0，那么，一个质量为m的物体在天体表面的引力势能为-GMm/r。当物体的速度达到逃逸速度v时，物体可以在无动力的情况下摆脱天体的引力束缚逃脱到无穷远的地方，物体的动能全部用于克服重力做功，由此可得下式：

如果把天体换成黑洞，表面逃逸速度换成光速c，这样就能得到黑洞的半径公式：

由于万有引力常数G和光速c都是恒定的常数，所以黑洞的半径只与质量有关，两者成正比关系。

早在爱因斯坦提出广义相对论一百多年前，英国自然哲学家米歇尔就已经提出“暗星”的概念，认为一种特天体的引力可以束缚住光。他通过计算发现，一个质量相当于太阳的暗星，它的半径只有2.95公里。

后来，德国天体物理学家史瓦西在限定条件下解出了爱因斯坦的引力场方程，从而对黑洞有了正确的描述。根据史瓦西度规推导出的黑洞半径公式与牛顿力学的结果相同。

基于黑洞的半径公式，可以很容易计算出任何物体演变成黑洞的条件。地球的质量约为6亿亿亿千克，当它被压缩到半径不到9毫米时才会演变成黑洞。而对于刚被直接发现的M87*超大质量黑洞，它的质量约为太阳的65亿倍，对应的半径可达190亿公里，即126天文单位，超过海王星轨道半径4倍。

黑洞天体是吸引不住光的，黑洞天体吸引光的现象，完全是由黑洞天体强大的引力作用造成了超光速引力场造成的。也就是说在黑洞不可视界面内光仍然以固有的速度运动，只是它所搭乘的反向引力场产生的加速度比它的运动速度还要快，从而产生了光运动的单向流动才形成了黑洞。

光速不变，那么光子进入地球引力场有势能吗，如何计算？

老郭作为一个物理系的毕业生、骨灰级科学爱好者、头条上优质科学领域作者、青云奖得主，愿意为您提供科学的答案。先砸答案：从经典的角度来说是光进入地球引力场是有势能的，但经典的能量计算用于光在引力下的偏折计算的时候并不精确。下面我来详细解读一下这里面的科学原理，还请各位小伙伴跟着我的思路耐心看下去。

一、我们需要先了解一下什么是势能？只要是有高中学习经验的小伙伴就都知道，在万有引力的作用下，由于相对位置的关系，而产生的地球引力对物体潜在的做功能力叫做重力势能。

从前面的定义我们可以看出，这里面有两个物理概念出现了，第一个是引力；第二个是引力做功。地球的引力我们自不必说，因为我们无时无刻不在感受着引力的作用，咱们重点要谈一下引力做功。

二、什么是引力做功？功是物理学中的一个基本概念，其物理含义就是，物体在力的作用下产生了位置变化，功的大小等于力与位移的叉乘。

对于其它宏观物体，比如一个做自由落体运动的小球，这个时候，重力势能可以转化成小球运动的动能。也就是说，势能减小，动能增加。

那么同样道理，光进入地球的时候可以受到地球引力场的作用，并且在引力的作用下发生偏折，即发生相对位置的变化，符合物理上做功的基本定义，所以我们可以说，地球引力能够对光做功，换句话说，就是光子进入地球引力场具有势能。

三、如何计算光子在地球引力场中的势能转换？天文学家观测到宇宙中的光具有引力红移和引力蓝移的情况，所谓的红移就是光在逃离引力场的束缚的时候，其波长会变长；而产生蓝移的时候，其波长会变短。

我们都知道，光子的能量用hν来表示，其中h为普朗克常数、ν是进入地球引力场光子的频率。如果这么看，引力对光所做的功可以用h•△ν来表示。我们可以利用牛顿力学得到△ν≈ν•[2GM/(c^2•r）]，其中△ν表示光子频率的变化、ν为光子的入射频率、G为万有引力常数、M代表地球质量、c为光速、r表示光子与地球质心的距离。

四、广义相对论下的红移和蓝移我们用经典理论得到的光子在引力场下的频率变化只是一个近似值，并不精确，这是由于，万有引力理论其实只是广义相对论在低速条件下的近似，所以在高速的情况下会出现误差。

这里我就略去广义相对论中对于引力红移、蓝移的分析，直接给出公式Z≡±△ν/ν=1-[1-(2GM/c^2r)^1/2]，式子中+为蓝移、-为红移。我们从这个公式就能得到光子的能量变化的精确值。

如果我们把这个公式用泰勒级数展开，就可以发现，前面用牛顿力学计算出来的频率变化，是广义相对论的一阶近似。

结束语通过前面的分析计算，相信小伙伴们一定了解到了，引力可以与光产生作用，并使得光的频率发生变化，即光子的能量发生变化。用经典力学计算得到的数值是用广义相对论得到数值的一阶近似值。

由此我们也可以看出，相比于牛顿引力理论，广义相对论是更精确的关于引力（时空）的理论。

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首先要明白一点：本题决不会出现在高考、研考与物理竞赛中，因为：光子依然是一个迷。

坊间资料旁征博引，读者姑且看看则罢，劝学子记住：作者尚且未必然，读者何必以为然。

新视野历经数十年观察研究，对物理学困惑都有基于动力学原理的深度解读，本题也一样。

先要搞清所涉及的四个概念：

①光速不变的原理？

②光子究竟是什么？

③引力势能与光子势能的关系？

然后再谈计算。下面逐一解释这四个概念，

光速不变原理，基于麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组，涉及真空介质的介电常数(ε₀)、磁导率(μ₀)与电位移或位移电流(J)，都是对对场介质的特性参量。

决定光速常量的方程“c=1/√(ε₀μ₀)...(1)”的物理意义，可惜没有引起物理大家深度解读。

就其原因，要么人们对迈克尔逊-莫雷实验的误解，要么因偏执而熟视无睹，要么阴差阳错。

从方程(1)可见：光速“c”只与真空场的介电常数(ε₀)与磁导率(μ₀)有关，而与光源无关。

进而可以推论：在真空场(即以太)的任何区域或点位，场介质都以固有光速在震荡。

麦克斯韦的以太，不是传统的“绝对静止的以太”，而是场介质中“光速震荡的以太”。

读者会问，既然光速与光源无关，那么问题来了：光源与光波之间是什么关系？

新视野认为：光源，与其它波源一样，只是一个策动源或简化为一个谐振子，光源中的核外电子绕核运动，扰动了附近的场介质而激发出电磁波。

换言之，光源把电子绕核震荡的位移动能(Ek=½m₀v²)转换为光子的辐射动能(Eγ=hc/λ)，有：½m₀v²=hc/λ...(2)。

式(2)可称电子位移的场效应方程，是笔者原创：电子位移的不同速度，激发场介质表现的不同波长的电磁波。

进一步推广，实体(质量为m)的位移运动(速度为v)，也会扰动真空场介质，而激发电磁波，有：½mv²=(m/m₀)hc/λ...(3)。

式(3)可称实体位移的场效应方程，简称“场效应方程”，非概率波或非物质波的。

例如：一枚100千克的导弹，以1马赫速度飞行，扰动了附近的场空间。

所激发的辐射动能为：Eγ=Ek...(4)，所激发的电磁波波长：λ=2hc/m₀v²=436663/v²...(5)

则：λ=436663/340²=3.48米。可见，导弹的飞行可激发3.48波长的电磁波，只与电子随行速度平方成反比，而与导弹的质量无关。

若按德布鲁伊物质波：λ=h/mv，则导弹波长：λ=6.63×10⁻³⁴/(100×340)=2×10⁻³⁸米，这个波长是不可思议的，也是毫无意义的。

本节小结：

光速是场介质的固有属性，与光源无关。光源震荡或位移的速度，决定光波的频率与波长。光源的质量与速度，决定光的辐射动能总量。

任何波源，包括光源或电磁波源、声源或机械波源，皆可扰动场介质而激发电磁波，并服从动能守恒定律，即：波源动能≡电磁辐射能。

光子是场介质能密变化的统计学单元不妨把光电效应方程△½m₀v²=△hc/λ...(6)，简化为场效应方程½m₀v²=hc/λ...(2)，

爱因斯坦认为，式(2)右边的“hc/λ=ε”就是一个“能量子”，即“爱氏光子”。

从洛伦兹变换构造函数γ(v)=1/√(1-v²/c²)来看，爱氏光子是电子能级跃迁释放出来的。

爱氏光子的要害是“光子能量≡光子粒子”，能量是物质的属性，光子是物质的范畴。二者被混为一谈。

上节已经给出电磁波的生产机制。说明光不是光源发射出来的，而是从场介质扰动出来的。

当然，为了便于测量与统计操作，不妨可以用“虚拟光子”作为场局部能密的统计指标，虚拟光子，可以像一个波节，也可拓扑成一个漩涡球，如下图所示：

怎么表达光子？可以借助于电子湮灭方程：e↑+e↓+2×½m₀c²≡γ↑+γ↓+2hc/λ₀...(7)，

左右两边质量守恒，电子质量≡光子质量：m(γ)≡m₀=0.911×10⁻³¹kg=0.511MeV/c²...(8)

左右两边动能守恒，电子位移动能≡光子辐射动能，即：½m₀c²=hc/λ₀...(9)，λ₀是电磁波的最短波长：λ₀=2h/m₀c=4.85[pm]...(10)

左右两边势能守恒，电子固有势能≡光子固有势能，即：m₀c²≡hc/λ₀'...(10)，λ₀'是引力波的最短波长：λ₀'=h/m₀c=2.42[pm]...(11)

光子可模拟为一个光速自旋的球型谐振子，光子半径=波长÷2π：r=λ/2π...(12)，进而有光子的体积：V=(4π/3)(λ/2π)³=4.2r³...(13)

本节小结：

光子，作为场介质局部区域能密指标，可以模拟为一个漩涡球型，并拓扑为一个波节。

基于电子湮灭方程，光子质量≡电子质量，光子势能≡电子固有势能(Ep₀=m₀c²)。光子的总能量=光子固有势能+光子辐射动能。

引力势能与光子势能的关系根据万有引力F=GMm/R²，试验物体(质量为m)所受的天体引力势能：Ep=GMm/R...(14)

根据牛二定律F=mg，试验物体受天体的引力势能：Ep=mgR...(15)，联立方程(14)与(15)，可以得到重力加速度公式：g=GM/R²...(16)

注意到，天体的重力加速度(g)，是一个“变加速度”，因为g与引力场半径平方(R²)成反比。

现在需要解决的关键问题是：天体是怎么把自己的引力或引力势能传递给那个试验物体的？

有一点毋容置疑：引力或引力势能的传递，不可能超距传递，只能以场介质为载体来传播。

物体动能也是由场介质作为载体来传播，而表现为电磁波辐射动能。引力势能也是由场介质作为载体来传播，而表现为引力波辐射势能。

这就意味着，引力势能与实体动能的载体，都是场介质，引力势能与光子势能都是固有的。

由此可推：光子既是电磁波的传播子，也是引力波的传播子(引力子)。

换言之，引力子是光子的基底成分，光子是承载动能的引力子。可规定：引力子≡场量子。

本节小结：

天体的引力势能与实体的位移动能，是由同一种载体，即场介质传递的，可量化为场量子(或引力子)，光子是承载了电磁辐射能的引力子。

回答本题：光子势能≡引力子势能本题“光子进入地球引力场”的提法不妥，因为光子的基底成分是引力子或场量子，本来就是场介质的成份，不是光源发射出来之后进入地球引力场空间的。

光子势能≡引力子势能：hc/λ₀'= m₀c²=hc/λ₀'≡0.511MeV，是场介质的固有势能，也是地球引力场势能的单元。

光子总能量≡光子势能+光子辐射动能，即：E=m₀c²+½m₀v²=hc/λ₀'+hc/λ。

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