黑洞简述

黑洞简述

黑洞简述

黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；某一个恒星即将灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在自身的挤压引力吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，会使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。黑洞开始吞噬恒星的外壳，但黑洞并不能吞噬如此多的物质，黑洞会释放一部分物质，射出两道纯能量——γ射线。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。根据科学家的猜想物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度（史瓦西半径），正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

大概说一下，黑洞的关键在于它不发光，所以无法直接观测，问题就来了，“我们怎么知道它们在哪儿？”能过证明黑洞存在的证据是，它们围绕其它天体运行，能够观察到其它天体运动受黑洞引力影响，这个概念大家应该很熟悉，因为这与发现系外行星时情形时一致，系外行星不能被直接观察到，但是你能看到别的一些东西，他们受系外恒星的影响。对于黑洞来讲也是一样，我们使用同样的公式、概念，来对黑洞进行探索，既然黑洞不能被直接观察到，那么可以使用轨道动力学和诸如多普勒效应等方法，来推测出它们的存在，甚至性质，接下来会比较复杂，我们不再使用牛顿定律、牛顿万有引力定律以及牛顿运动定律等，因为有一个更加完善的理论取代了牛顿定律，该理论对于了解黑洞非常必要，这就是爱因斯坦的“相对论”，我们将使用相对论而不是牛顿物理学，情况很快就会变得不可思议，开始吧，先从牛顿定律角度的黑洞解释出发吧，（不可思议的东西下次再讲），要了解黑洞的首要概念以及最简单的方法，就是“逃逸速度”的概念，这是高中物理的范畴，你们以前可能遇到过，逃逸速度意味着逃离一个物体的引力场所需要的速度，如果发射一枚火箭，火箭的速度是多少才能确保它不会掉回地球，可以由此定义，地球或其他天体的逃逸速度，即多快的速度才能逃离引力场，它有一个公式v=（2GM/R）的1/2次方，这就是逃离一个天体引力场所需要的速度，此处该天体的质量为M，半径为R。

那么什么是黑洞，实际上黑洞是个非常简单的定义，简单说，黑洞就是逃逸速度大于或等于光速的物体，如果有一个物体的逃逸速度大于光速，那它就是黑洞，这其实很合理，如果逃逸速度大于光速，那光就不能从这个物体逃离，自然无法看见，因为看见某物其实就是看见其发射出来的光子，到目前为止我们还没

有说到什么特别的东西，实际上，在18世纪中叶就有人开始讨论黑洞了，那人是英国的牧师——约翰米歇尔。如果逃逸速度为光速，其半径就需要等于史瓦西半径，黑洞的另一个定义是，一个半径小于史瓦西半径的天体，因为半径越小，逃逸速度越大，因此18世纪就对黑洞有了一些模糊的了解，但没有人更深入的思考下去，米歇尔大致推测了一下这种天体的样貌，他觉得会是黑的，事实是这样的，但没人关心，150年来没有人做进一步思考，知道20世纪，爱因斯坦出现，并提出相对论，相对论中很重要的一点是，光速c是一个特别的速度，他有非常奇怪而身高的性质，只有在发现光速的这些性质之后，人们才开始意识到黑洞概念的非凡之处，所以，150年间，这种观念都处在潜伏状态，知道对物理根本思考的重大变革后才被激活，又是一个很好的历史寓言，这次的寓言是“米歇尔发现黑洞”，寓言的寓意在于，结果的重要性取决于其所处的历史背景，历史背景改变，结果可能会有很大的不同，一个不起眼的东西可能突然变得至关重要，这个例子就告诉了我们这个道理。

以太阳举例来说，它如果要形成黑洞，它的半径会特别小，而密度又非常大。所以你可能会觉得这种天体非常少见或根本不存在，因为它难以置信的小，密度高的让人难以想象，它的引力场甚至可以阻止光线的逃脱，所以你可能认为这是完全的理论概念，尽管非常有趣，却没有进一步研究的意义，因为现实生活中很难碰到这样的东西，但黑洞的奇特就在于，它理应存在，科学家们如此预测，大概70年前，人们就任为黑洞应该是存在的，理由是：黑洞是恒星生命终结的方式之一。

黑洞中，还存在一种所谓超大质量黑洞的存在，超大质量黑洞处于星系中央，其质量可能相当于几十万、几百万甚至几十亿个太阳，所以星系中间有很大质量的黑洞，这其中也包括我们的银河系，类星体之所以发出强光，正是因为不断有气体掉入这些黑洞，在引力透镜的作用下，它们是位于星系中心的强大辐射源，又是它们被称为活动星系核，而类星体现象正是由超大质量黑洞造成的。根据定义，是不能直接观测到黑洞的，推测出超大质量黑洞的存在，正如推测小黑洞的存在，都是通过观察围绕它们运行的天体，比如，在我们星系中心大概有个一百万或三百万倍太阳质量的天体位于我们星系中央，通过观测离它最近恒星的轨道，我们推测那是个黑洞，没有发出任何辐射，也就是说这个天体具有很大的质量，且非常黑暗，这个结论是根据观测其周围恒星的轨道而得出的，对其他星系，也做过同样的观测，得出了相同的结论，就现在来说，对于每一个大星系，其中央都有一个超大质量黑洞，这其实是近几十年来天文学的成果之一，即有足够的数据证明，这些星系中央具有一个有相当大质量而又看不见的东西，还有其它理由证明它就是黑洞，而不是一亿个中子星，或其它无谓的东西，如今我们十分确信星系中央具有超大质量黑洞，我们同样十分确信我们星系中央就有一个超大质量黑洞！而它们的形成原因还不为人知，通常那种十倍于太阳质量黑洞的形成是显而易见的，它们是由恒星坍缩形成的，但超大质量黑洞究竟怎样形成的，如何发展，甚至其最初来源，对此人们都还不了解，最近的研究推测它们来自第一代的恒星，这些恒星质量很大，约等于几千倍的太阳质量，而不是一个太阳质量，可能第一代恒星塌缩形成几千个黑洞，然后它们互相吞噬掉入星系中心，但必须要说的是，想对于十倍太阳质量的黑洞，超大质量黑洞的来源还是个谜，对于前者，虽然还没有非常具体的理论，但它们的大概来源我们已经很清楚了。

当然有正必有反，在学术上有相反的观点认为宇宙中不存在黑洞，这需要进一步的证明。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称

为“黑洞”的缘故。人们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。虽然这么说，但黑洞还是有它的边界，既“事件视界”。据猜测，黑洞是死亡恒星的残余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。另外，黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到末期而形成的，质量小于钱德拉塞卡极限的恒星是无法形成黑洞的。

据英国媒体2014年01月24日报道，霍金在名为《黑洞的信息保存与气象预报》的论文中指出，由于找不到黑洞的边界，因此黑洞是不存在的。如果霍金的理论正确，黑洞核心的奇点根本就不存在，甚至不排除“一切事物原则上能逃离黑洞”这种极端局面的可能性。霍金说：“在经典理论中，黑洞不会放过任何东西；但量子理论允许能量和信息逃离黑洞。”因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的，这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。