黑洞与奇点概论
§8-7 黑洞与奇点
一人们对黑洞的认识
现代宇宙学指出，引力特别强的地方是黑洞。从理论上讲，黑洞是星体演化的“最后”阶段，这时星体由于其本身的质量的相互吸引而塌缩成体积“无限小”而密度“无限大”的奇态。在这种状态下星体只表现为非常强的引力场。任何物质，不管是电子、质子、原子、太空船等等，一旦进入黑洞就永远不可能再逃出了。甚至连波动光子也没有逃出黑洞的希望。因此在外面看不见黑洞，这也是它所以被叫做黑洞的原因。目前人们对黑洞初步的认识如下：
1、无限坍缩
质量在恒星演化的一生中，起着决定性的作用。质量为0.8M⊙
无限坍缩的结局成为黑洞，这种坍缩过程的细节很复杂，或者说还不清楚，不能在这里作详细介绍。不过有一点很清楚，那就是无限坍缩的过程是极其迅速的，一颗质量为10M⊙的恒星，在进入无限坍缩状态以后，几乎所有的物质都同时以光的速度向中心自由落下，经过约百分之一秒就变成一个光度为零的黑洞。
2、视界
黑洞严格上讲已经不是一颗星星，而只能说是空间的一个区域，当然这个区域应该是球对称的。在黑洞区域及其附近空间，引力场异常强大，物质的物理性质和运动规律只能应用广义相对论才能解释，请看下面的实验。
设想有一个人站在即将发生无限坍缩的星体表面，身旁有一盏强大的灯，如图8-7-1a所示，坍缩前引力场相对较弱，可以认为灯光的光线沿直线向四面八方传播。坍缩开始，恒星体积变小，密度变大，灯光所在处的引力场变大，根据广义相对论，灯光光线将发生弯曲。随着坍缩的继续进行，恒星的体积缩得更小，光线的弯曲度也越来越大，最后所有的光线都弯曲并折入星体表面，这个人再也看不到灯光，我们就说恒星缩小到它的“视界”之内，即如图8-7-1d所示。落入视界之内的任何东西，都不可能再被外界的观测者看到，这就是“黑洞”名称的由来。所以，视界就是黑洞的表面，或者说黑洞的边界，也就是外界观测者视线的边界。视界有非常特殊的性质，它只准进不准出，像一个单向的模。物质一旦落入视界，就永远再不能返回，包括光在内。
(a) (b) (c) (d)
图8-7-1 视界的实验
根据广义相对论引力方程，可以求出视界区域的大小，即黑洞的半径。1916年广义相对论问世不久，德国物理学家史瓦西研究引力场方程，求得引力场方程的精确解。史瓦西的解预言存在着一种不旋转、不带电、球对称的黑洞，同时求出这种黑洞的半径，称为“引力半径”，也称史瓦西半径。解引力方程是很复
杂的，下面我们根据光不能逃逸黑洞的特性，应用经典力学方法求解黑洞的半径。
根据牛顿定律，一个物体（粒子）的动能大于（或等于）它在某天体表面的势能时，这个粒子就有可能逃出这个天体。现设天体表面上，粒子的质量为m，速度为υ，天体的半径为R，质量为M。根据上述原理，υ为逃逸速度时，有
mυ2/2=GMm / R （8.7.1）
则υ= (2GM / R)1/2（8.7.2）
由上式可知，逃逸速度与粒子的质量无关。当天体的质量不变，而半径缩小（坍缩）时，逃逸速度要增大。物质速度的极限是光速，所以对光来说υ=c，则由上式可求得黑洞的半径
R G=2GM / c2（8.7.3）
也就是说，天体的质量一定，当其半径R≤R G时，即使是光也不能逃逸，这就是黑洞，R G就是黑洞的半径。这个结果与史瓦西根据引力场方程所求得的结果一样，因此，R G也称为史瓦西半径。一个质量和太阳相当的恒星，根据上式可求得史瓦西半径为3km，这就是说像太阳这样的恒星，当全部质量都压缩在半径为3km 的球体内时，太阳就成为一个黑洞。地球的史瓦西半径是0.89cm。当然，太阳和地球都永远不会变成黑洞，只有那些原始质量为10M⊙~20M⊙以上的恒星，经历恒星演化的各个阶段，且最后发生无限坍缩时，才有可能变成质量为M>3.2M⊙的黑洞。
60年代以来，由于天文学的一系列发现，使黑洞理论的研究取得了重大进展。天体物理学家又相继指出了许多新的黑洞模型，比较著名的有克尔黑洞，它能够绕某一轴旋转，是一种动态黑洞，比史瓦西黑洞更有实际意义。因此任何恒星在坍缩前都在自转，根据角动量守恒定律，由这个恒星坍缩形成的黑洞也必然具有角动量，所以黑洞是转动的。黑洞还有其它奇特的性质，分别叙述如下。
3、黑洞的特性
（1）、黑洞无毛发定理
坍缩以前的恒星，具有许多不同的物理和化学性质，例如质量、角动量、电荷、磁矩、温度、光度和化学成分等等，但它们坍缩成为黑洞以后，都变得异常的简单。应用广义相对论能够证明，在强大引力场中的黑洞，只要三个物理参数：质量、电荷和角动量，就可以描绘黑洞的全部特征。黑洞就像一个引力的无底深渊，任何东西掉进黑洞都被“净化”，只剩下三个物理量：质量、电荷和角动量。物质的其它特性，分子、原子、原子核、强作用、弱作用等等都不复存在。就像一个光秃秃的头颅，没有头发，只有耳朵、眼睛、鼻子和嘴，科学家把这种性质风趣地称为“黑洞无毛发”定理。
（2）、面积不减定理
黑洞最主要特征是它具有一个封闭的视界，任何物体包括光都可以从视界以外进入视界之内，但相反的过程是不可能的。黑洞在演化过程中，它的视界或是不变，或是增大，而总是不能减少，这称为黑洞面积不减定理。因此黑洞可以合并但不能分裂，两个黑洞相互碰撞合而为一时，合成的黑洞视界一定不小于原来两个黑洞视界之和。
（3）、时间凝固
在黑洞强大的引力场中，广义相对论应起着重要的作用。若以地球的时钟来计算时间，在坍缩过程中，引力场强度越来越大，时间流逝越来越慢，当恒星最后坍缩到史瓦西半径时，时间完全停止，因此任何观测者都永远看不到坍缩着的恒星达到自己的史瓦西半径。图8-7-1中的灯所发出的光，将随着坍缩的进行，产生越来越大的红移，达到史瓦西半径时，红移达到无穷大。地球的观测者，将随着坍缩看到灯光由亮到暗，由白变红，以至变成无线电波，最后完全消失。因此史瓦西黑洞表面也称无限红移面。
（4）、黑洞的蒸发
1974年，英国黑洞物理学家史蒂芬·霍金把量子论应用到黑洞研究中，发现黑洞似乎总是以稳定的速度发射粒子，而且发射的粒子具有热辐射的性质，这显然与黑洞的“黑”性质是矛盾的，但这却是可能的。因为，根据量子论的原理，在真空态中，会不断地有虚粒子的产生和湮没，即所谓真空涨落，这种性质已由量子电动力学的实验所证实。黑洞外层附近也属真空态，也应该有这种量子效应产生虚粒子。虚粒子具
有负能量，通过隧道效应，穿过视界，进入黑洞，使黑洞质量减少。也可以这样理解，由于黑洞附近的真空态的量子效应，不断地产生正负粒子对，负粒子被黑洞吸收，使黑洞质量减少，正粒子则发射到无限远处，这种由于量子效应所产生的辐射，对通常的黑洞来说影响是很小的，但这又是重要的，因为这种辐射使黑洞的质量减少，而且可以证明，随着质量的减少，辐射将越来越强，以至最后黑洞总有一天被“蒸发”掉。当然这是一个漫长的过程，计算表明，一个太阳质量的黑洞，被完全蒸发掉需要1066年，这是一个比天文数字还要大许多数量级的数字，是没办法探测的，但对于质量小的黑洞（所谓原生洞），这个过程却可能是很快的。总之，黑洞蒸发意味着黑洞并不是物质的演化终点，不是物质的坟墓，被黑洞吸收的物质将会重新释放出来。以上关于黑洞的蒸发仅仅是根据量子理论和广义相对论的一种推测，并不是实际已经发现了的事实。
由广义相对论所预言的黑洞，还有种种奇特的性质，在此就不再一一列举了。但还必须重复强调，这些性质只有通过直接或间接的验证，才能肯定它是否有实际意义。
4、寻找黑洞
黑洞最初是来自理论的一种推测，但20世纪60年代以来，随着理论研究的深入和观测手段的发展，特别是X射线天文学的发展，越来越多的科学家相信，宇宙空间确实存在着黑洞这样的天体。问题是，如何在广袤的宇宙空间找到这些黑洞。黑洞因为是“黑”的，这给寻找它带来许多困难。但是，经过不懈的努力，天文学家已经获得寻找黑洞的机制。例如X射线双星模型。假定有一对双星，距离比较近，而且其中一颗已经演化为黑洞（或中子星），另一颗恒星的气体吸引过去，形成黑洞周围的吸积盘。气体在吸积盘中迅速旋转，并逐渐地落入黑洞，如图8-7-2所示。气体在吸积盘中高速旋转，可达到很高的温度（如1×108 ○C），在这样的温度下气体将发出X射线，只要我们能接收到这种射线，则双星中一颗肯定就是一个黑洞。中子星也可以发生类似的过程而发射X射线，但我们可以通过别方法来测量这颗星的质量。如果其质量在奥本海默极限（M>3.2M⊙）以上，则可把中子星的可能性加以排除。经过多年的努力，天文学家从1970年美国发射的“乌呼鲁”卫星所观测的100多个X射线源中，找到了一个位于天鹅座的X射线源，称为天鹅座X-1，人们认为它最具黑洞的特性，可能就是一个黑洞。天鹅座X-1是一个特殊的X射线双星，其主星是一颗蓝巨星，质量约为太阳的30倍，而光学上看不见的那颗伴星，质量至少也有太阳的5倍。目前，天体物理学家正在研究各种可能发射X射线的机制，以便进一步确认天鹅座X-1是否一定就是黑洞。除此之外，人们把视线转向更广袤的深空。经过多年的研究和观测，于1997年，美国天文学家宣布，他们利用设在夏威夷的地面望远镜和在太空轨道的哈勃望远镜，已经另外在狮子星座和室女星座发现了存在黑洞的直接证据。另外还利用多颗X射线卫星，观测了9对比较特殊的双星系统，也发现了其中4对各有一个黑洞的证据。
图8-7-2 X射线双星
广义相对论是黑洞物理学的基础，是目前最好的引力理论，受住了各种实验和观测的考验。但有必要指出，按照广义相对论，在黑洞视界内的物质都不可避免地要坍缩到黑洞中心，成为一个几何点，叫做中心奇点。奇点在广义相对论中是普遍存在的，在黑洞解中有奇点；宇宙学中，大爆炸的起点是奇点，宇宙演化的结局可能也是奇点。奇点有一系列的奇异性质，例如无限大的物质密度，无限大的压力，无限大的起潮力，无限弯曲的时空等等。在奇点上，一切因果关系消失，既不能谈论过去，也不能谈论未来。所有这些由广义相对论所得到的推论，显然与实际不符，这说明广义相对论与其它任何科学理论一样，都有一定的适应范围和局限性。爱因斯坦本人也清楚地知道这一点，他曾指出“人们不可假定这些方程对于很高的场密度和物质密度仍然有效。”因此，必须建立一种新的理论，来研究奇点区域中物质的物理性质。在爱因斯坦以后，奇点问题的理论家们是从下列两个方面来发展爱因斯坦的思想的：其一是广义相对论和现代量子论结合；其二是把引力作用与其它基本相互作用统一起来。
二暗子简并态
1、暗子简并态的起源
在§8-3中，我们作了两个假设：一个是开放的、均匀的自由暗空间；另一个是闭合的、均匀的自由暗空间。在讨论中，得到的结论是：如果宇宙本原（即宇宙初态）是一个开放的、均匀分布的自由暗空间Ψδ，那么这个空间Ψδ将是恒稳定的，不可能发生任何变化，即不可能演化成今天这样形态的宇宙；如果宇宙本原是一个闭合的、均匀分布的自由暗空间Φδ，那么这个空间Φδ将从原始宇宙（即初态）边界上的自由暗子开始向内坍缩。并预言：在这样的是闭合（有边界）的、均匀分布的自由暗子空间Φδ里，最初是稳定的。但是，因原始边界上内外自由引力子对称性的自发破缺，而导致原始边界上的自由暗子向内坍。根据刚性传递原理，边界以内的自由暗子也逐级由外向内坍缩，从而使整个闭合的自由暗空间的均匀性和稳定性遭到破坏，在这个闭合的量子空间里其中心区域的暗子密度将增大，便形成具有引力源的密集的量子空间，直到这个空间的中心区域没有任何“真空”留下，形成一种主要由暗子组成的暗子核。这种暗子核就是宇宙里最紧密的新物质简并态，称为暗子简并态。它是固态、液态、气态和等离子态以外的一种新的物质态，这是整个宇宙中密度最大物质态。在暗子简并态下的暗子叫做简并暗子。
2、简并引力源
由于暗子既是驻波粒子也是单极子，所以，在暗子简并态下，暗子之间没有任何斥力，而且与光子偶素也没有任何作用，它们之间将靠得很近很近，即暗子之间几乎没有任何空隙，也就是它们之间的作用距离几乎趋于任意小。根据引力子定律，在暗子简并态下任意相邻的二暗子之间的相互作用力（引力子）将是任意大的。在这种任意大引力子的相互作用下，暗子将束缚在一起并形成宇宙里最紧密的物质简并态。这种状态的引力源叫做简并引力源。也就是说，暗子简并态即是简并引力源。由于这个简并引力源是从原始宇宙坍缩而形成的，即是从宇宙起源时第一次形成的，所以也可以称为宇宙第一简并引力源。由于简并引力源是量子化的，所以它的质量M与它的质量量子数D成正比，即M=Dmδ。根据量引力定律可知，简并引力源的引力是非常巨大的。
3、简并暗子之间的相互作用
（1）、简并暗子自旋的产生
根据上述的分析可知，原始宇宙是由一个开放的、均匀分布的自由明空间（即光子偶素海）和一个闭合的、均匀分布的自由暗空间组成，也就是初态的宇宙是没有中心的。自宇宙坍缩的那一刻开始，宇宙便形成了中心，这个中心就是后来形成的宇宙第一简并引力源。在宇宙第一简并引力源形成过程中，宇宙坍缩不断地进行，所以简并引力源的质量量子数也不断增加，即质量不断增加，从而使简并引力源的引力不断增大。自宇宙中心形成后，整个宇宙的自由暗子都具有向心力，即中心以外所有的自由暗子都具有引力势。随着简并引力源的质量量子数的不断增加，自由暗子的引力势的绝对值也不断增加。在坍缩过程中，自由暗子的引力势能将转化成动能，像是一根很长钢丝自由落下到一个高温熔炉一样，熔炉外的钢丝仍然是刚性的，而进入熔炉后的钢丝将被熔化，在熔炉里形成流动的液体。可以说，在暗子简并态以外的自由暗子仍然是通过刚性传递，坍缩后进入简并引力源（即暗子简并态）里暗子便变成简并暗子，并获得由引力势能转化而来的动能，从而能在简并引力源里运动。但由于在简并引力源里简并暗子之间相互作用的距离几乎趋于任意小，所以简并暗子必须获得足够大的动能时才能运动。当简并暗子获得足够大的能量后，又因没有运动空间而只能在很窄的空间里或原地转动，这时简并暗子则产生自旋。一个简并暗子的量子态由其能量、角动量和自旋来确定。按照量子力学，能量和角动量也是量子化的物理量，只能取分立值，因此，即使简并暗子被压缩到越来越小的体积里，也终将达到一个限度，即所有的能态和动量级都被具有所有可能自旋取向的简并暗子所占据。这时泡利不相容原理起作用，阻止简并暗子进一步增密。简并暗子产生出一种巨大的内部量子压力，即是暗子简并压力。在强大的暗子简并压力与简并引力的相互作用下，一个简并暗子的自旋必然引起另一个简并暗子的自旋，但自旋方向相反。如图8-7-3所示。由此可见，在简并引力源里简并暗子所产生自旋是成对出现的，即是对称的。δ
图8-7-3 简并暗子的自旋
在简并引力源里简并暗子获得的动能是由自由暗子的引力势能转化而来的。设从引力源中心到初始（原始）边界的半径为R0（为一个未知常量），到坍缩后边界的半径为R n（R n E Pδn= -GD n mδ2 /R n（8.7.5） 式中D0和R0是对应的、D n和R n也是对应的，它们可取分立值，D n随着R n的取值减小而增大，而E Pδn则随着R n的取值减小和D n的同时增大而减小（负值）。 又设自由暗子初始坍缩的动能为E Kδ0，最后获得的动能为E Kδn，根据机械能量守恒定律，则有 E Pδ0- E Pδn=E Kδn - E Kδ0（8.7.6） 根据前面的假设可知，初态的宇宙是均匀分布的、静止的，所以D0=0，即E Pδ0=0，且E Kδ0=0，则有 E Kδn = - E Pδn（8.7.7） ∴ E Kδn= GD n mδ2 / R n（8.7.8） 宇宙坍缩之初，式中D n的数值相对还较小，而R n值相对较大，刚开始时，自由暗子坍缩自由落下到简并引力源时所获得的能量较小，不能使简并引力源里的简并暗子转动。当简并引力源的D n增大后，R n也随之减小，简并暗子获得的动能E Kδn就不断增大。当D n足够大时，则E Kδn就足够大。当简并暗子获得足够大的动能时，它就能在简并引力源里原地转动。 对落入简并引力源后的简并暗子来说，它所获得的动能是已经确定的，所以可用D取代D n，用R取代R n，用E Kδ取代E Kδn，则上式可改写为 E Kδ= GDmδ2 / R （8.7.9） 由于简并暗子是刚体，根据刚体定轴转动的动能定理，得 E Kδ=Iδωδ2/2 （8.7.10） 式中E Kδ为简并暗子的动能，Iδ为简并暗子转动的惯量，ωδ为简并暗子转动的角速度。又由于转动惯量为 Iδ=2mδRδ2/5 （8.7.11） 式中Rδ为简并暗子的半径。又根据刚体定轴转动的角动量Lδ，有 Lδ= Iδωδ（8.7.12） 由（8.7.10）和（8.7.12）式，得 E Kδ=Lδωδ/2 （8.7.13） 由（8.7.9）和（8.7.13）式，得 Lδωδ/2= GDmδ2 / R ∴ Lδ=2GDmδ2 /ωδR （8.7.14） 联合（8.7.11）、（8.7.12）和（8.7.14）式，可得 ωδ= (5GDmδ/ R)1/2 / Rδ（8.7.15） 将（8.7.15）式代入（8.7.14）式，得 Lδ= (2/5)×mδRδ(5GDmδ/ R) 1/2（8.7.16） 式中G为引力常量，mδ、Rδ、D和R都视为可确定的值，所以式中的Lδ从理论上讲也应该是一个可以确定的值。 （2）、引力作用衰变的假设 在前面讲过，暗子是驻波粒子，它的传递方式是刚性传递或非完全刚性传递，与上述简并暗子具有自旋 是矛盾的。为了解决这个矛盾，提出这样一个基本假设：在暗子简并态下，任意相邻的两个简并暗子δ-δ之间产生一种相互作用，它们相互作用的结果是产生对称的自旋，即成左螺旋关系的那个简并暗子则变成基本中微子ν，成右螺旋关系的那个简并暗子则变成基本反中微子。它们的表达式为： δ+δ→ν+（8.7.17） 由于以上的相互作用产生了基本中微子和反中微子（即有轻子参与作用），所以，我们可以把这种由简并暗子变成基本中微子和反中微子的相互作用，称为引力作用衰变。由暗子变成中微子后，它们最大的区别在于：暗子δ是驻波粒子，其传递方式是通过刚性传递或非完全刚性传递，并且是随引力相位网一起整体运动，没有独立的动能；而基本中微子ν及其反粒子则变为具有自旋的和波动性的粒子，其传递方式则是通过波动性传递，运动速度υ≤c，并且具有独立的动能，静止质量等于暗子的质量。由于基本中微子ν及其反粒子成对产生，所以它们是对称的。 设具有波动性的基本中微子ν及其反粒子与波动光子一样具有速度υ，但υ≤c，它们的静质量为m oν=mδ，频率为ν，根据量子理论，假设基本中微子ν或反粒子的能量子εν为 εν≤m oνc2+ hν= mδc2+ hν（8.7.18） 又假设只有当简并暗子的动能E Kδ等于εν时，即E Kδ=εν，任意相邻的两个简并暗子δ-δ之间的相互作用才能转化为基本中微子ν或反粒子，则由（8.7.9）式和（8.7.18）式可得 GDmδ2 / R≤mδc2+ hν（8.7.19） 由（8.7.19）式得 ν≥GDmδ2/ Rh- mδc2/h （8.7.20） 或者R≥GDmδ2/(mδc2+ hν)（8.7.21） 如果我们测得最初由简并暗子δ-δ转化为基本中微子ν或反粒子的频率ν，以及简并引力源的质量量子数D，就可以由（8.7.21）式计算出简并引力源中心到坍缩后最初的宇宙半径R。 由于基本中微子ν或反粒子和波动光子一样，对于任何参考系都不会静止，所以在任何参考系中基本中微子ν或反粒子的质量mν为 mν≤m oν+hν/ c2= m oν+h/λc（8.7.22） 或 mν≤mδ+hν/ c2= mδ+h/λc（8.7.23） 基本中微子ν或反粒子的动量为pν=mνυ≤mνc ，即 pν≤m oνc+h/λ= mδc+h/λ（8.7.24） （8.7.18）和（8.7.24）式是描述基本中微子ν或反粒子的性质的基本关系式。式中左侧的量描述中微子的粒子性，右侧描述中微子的波动性。 三奇点 1、第一黑洞的形成 宇宙坍缩初期，由于在宇宙中心形成的引力源其质量量子数相对还较少，又由于中心引力源的那些简并暗子具有一定的动能，所以在这个阶段其物质密度还不是很大。但是，随着中心引力源的质量量子数的增多，其引力也会增大。现代宇宙学认为，引力特别强的地方是黑洞，黑洞的主要特性就是光不能逃逸。因此，当中心引力源的质量量子数达到一定后，总会形成这样的黑洞。由于这是宇宙起源时形成的，所以我们把它称为第一黑洞。第一黑洞内的物质密度虽然很大，但还不是最大的，它还没有达到暗子简并态的密度极限。从一个闭合的、均匀分布的自由暗空间到形成第一黑洞的过程是非常漫长的。 根据史瓦西半径，有 R G=2GM / c2（8.7.25） 式中R G为黑洞的半径，M为黑洞的质量。如果黑洞是球对称的，那么黑洞的体积V G为 V G=4πR G3/3 （8.7.26） 由（8.7.25）和（8.7.26）式，得 V G=32πG3M 3/3 c6（8.7.27） 设σG为黑洞的密度极限，则 σG= M/ V G（8.7.28） 由（8.7.27）和（8.7.28）式，得 σG= 3 c6/ 32πG3M 2（8.7.29） 由于G=6.67259×10-11m3·kg-1·s-2，c=2.997925×108m·s-1，所以 σG=3×(2.997925×108)6/32×3.14×(6.67259×10-11) 3M 2 =7.295967×1079/ M 2 (kg·m -3) （8.7.30） 可见，只要知道黑洞的质量M，就可求得该黑洞的密度极限，它的大小由该黑洞的质量的平方成反比。 例1 已知地球的质量M =6×1024kg，求它的黑洞状态时的半径和密度极限？ 解：将地球的质量M =6×1024kg分别代入（8.7.25）和（8.7.30）式，得 R G=2GM / c2 =2×6.67259×10-11×6×1024/(2.997925×108)2 =8.9094×10-3 m σG=7.295967×1079/ M 2 =7.295967×1079/ (6×1024) 2 =2.026657×1030 (kg·m -3) 这就是地球在黑洞状态时的半径和密度极限。也就是，当地球的质量压缩到8.9094×10-3 m这样小的球体时，其密度为2.026657×1030 kg·m–3，大于等于这样的密度时，地球就会成为黑洞。 例2 已知太阳的质量M =2×1030kg，求它的黑洞状态时的半径和密度极限？ 解：将太阳的质量M =2×1030kg分别代入（8.7.25）和（8.7.30）式，得 R G=2GM / c2 =2×6.67259×10-11×2×1030/(2.997925×108)2 =2.9698×103 m σG=7.295967×1079/ M 2 =7.295967×1079/ (2×1030) 2 =1.823992×1019 (kg·m -3) 这就是太阳在黑洞状态时的半径和密度极限。这个密度与原子核密度（即1017 kg·m–3）比较接近。也就是，当太阳的质量压缩到2.9698×103 m这样大小的球体时，其密度为1.823992×1019kg·m–3，大于等于这样的密度时，太阳就会成为黑洞。 例3 已知银河系的质量M = 4×1041kg，求它的黑洞状态时的半径和密度极限？ 解：将银河系的质量M = 4×1041kg分别代入（8.7.25）和（8.7.30）式，得 R G=2GM / c2 =2×6.67259×10-11×4×1041/(2.997925×108)2 =5.9396×1014 m σG=7.295967×1079/ M 2 =7.295967×1079/ (4×1041) 2 =4.59979×10-4 (kg·m -3) 这就是银河系在黑洞状态时的半径和密度极限。也就是，当银河系的质量压缩到5.9396×1014 m这样大小的球体时，其密度为4.59979×10-4 kg·m–3，大于等于这样的密度时，银河系就会成为黑洞。 例4 已知宇宙（现在观测到的）的质量M=1053kg，求它的黑洞状态时（即第一黑洞）的半径和密度极限？ 解：将宇宙的质量M=1053kg分别代入（8.7.25）和（8.7.30）式，得 R G=2GM / c2 =2×6.67259×10-11×1053/(2.997925×108)2 =1.4849×1026 m σG=7.295967×1079/ M 2 =7.295967×1079/ (1053) 2 =7.295967×10-27 (kg·m -3) 这就是整个宇宙在黑洞状态时（即第一黑洞）的半径和密度极限。也就是，当宇宙的质量压缩到1.4849×1026m 这样大小的球体时，其密度为7.295967×10-27kg·m–3，大于等于这样的密度时，整个宇宙就会成为第一黑洞。 通过上述的计算和分析，可以发现，黑洞状态的密度不是相同的，它的大小与该黑洞的质量的平方成反比关系，也就是质量越大的黑洞，其密度极限就越小。由例4可知，宇宙的第一黑洞的密度极限为7.295967×10-27 (kg·m -3)，这个密度是相当小的。在0°C和标准大气压下，空气的密度为1.29(kg·m -3)。也就是说，在0°C和标准大气压下，空气的密度比第一黑洞的密度还大1027个数量级。 2、奇点的形成 由于第一黑洞内部的物质密度还没有达到最大极限，即还不是暗子简并态，所以第一黑洞还将继续吞食自由暗子，即宇宙坍缩仍将继续。当第一黑洞中心区域的束缚暗子达到一定的稠密度并形成简并引力源（即达到最大密度极限）后，就产生一种暗子简并压力。当这种简并压力等于该简并引力源的引力时，这个量子空间的坍缩就会停止。停止坍缩的该处量子空间不是第一黑洞的全部，而是第一黑洞的核心。在第一黑洞内处于最大密度极限的核心就是大爆炸前的奇点。或者说，第一简并引力源就是奇点。由于奇点内达到了暗子简并态的密度极限，所以在奇点内不再向内坍缩，但在奇点以外未达到最大密度极限的第一黑洞态区域仍将继续坍缩，因而第一黑洞将不断向外延伸扩展。第一黑洞是球对称的，核心奇点的密度最大，由内向外逐级变小。当第一黑洞形成后，由于中心简并引力源的引力大幅度地增大，所以自由暗子的坍缩速度将越来越快，最后以光的速度向内坍缩，因而从第一黑洞到形成奇点的过程相对较快。 3、空间尺度的极限与物质密度的极限 （1）、空间尺度的简并极限（或称最小极限） 根据史瓦西半径，有 R G=2GM / c2 令M=Dmδ，则 R G=2GDmδ/ c2（8.7.31） 如果黑洞是球对称的，那么黑洞的体积V G为 V G=4πR G3/3 （8.7.32） 因暗子也是刚性的球体，所以它的体积为 Vδ=4πRδ3/3 （8.7.33） 式中Rδ为暗子的半径。由于V G =DVδ，所以，由（8.7.31）和（8.7.33）式，得 则 Rδ=R G / (D)1/3（8.7.34） 由（8.7.31）和（8.7.34）式,得 Rδ= 2GmδD(D)1/3 / c2（8.7.35） 由于质量量子数D可取值1，2，…i等任意正整数，当D=1时，上式的Rδ则是暗子的基本半径（即最小半径），用“Rδ0”表示，所以，由（8.7.35）式，得 Rδ0= 2Gmδ/ c2（8.7.36） 由于mδ=1.7826622×10-36kg，G =6.67259×10-11m3·kg-1·s-2，c=2.997925×108m·s-1，所以 Rδ0=2×6.67259×10-11×1.7826622×10-36/(2.997925×108) 2 =2.64698795×10-63m 这就是简并暗子半径。由于暗子是本原基本粒子，所以它的直径应该是量子空间尺度的极限，即是量子空间尺度的最小极限，用“D h”表示，即D h =2Rδ0=5.2939759×10-63m。在量子力学中，认为普朗克长度是空间尺度极限，普朗克长度为10-35m。如果普朗克长度这个极限成立，那么将10-35m代入式（8.7.36）可求得暗子的质量mδ=6.734682×10-9kg，它是电子质量的7.39312×1021倍，是质子质量的4.026358×1018倍，显然，这与事实是不相符的。而上述的计算结果，即简并暗子的线度比普朗克长度还小28个量级，因此，普朗克长度不是空间尺度的极限，上述简并暗子线度才是空间尺度的最小极限，即空间尺度的极限，这个极限的 时间简史——从大爆炸到黑洞 本文是关于高中作文的时间简史——从大爆炸到黑洞，感谢您的阅读！ 坚强，是一个伟大的人所必须具有的品质，若想成就一番伟业，就需要一样东西，那就是不怕困难，不怕失败，永远坚强不屈的精神，而霍金就是拥有这种精神的人。斯蒂芬·霍金教授写的《时间简史》出版于1988年，回答了宇宙是怎样诞生的？它从何而来？又向哪里去？的问题。 书中认为我们现在生活的宇宙有自己的历史起点，它大约诞生于150亿年前，那时，宇宙只是一个点，不占有空间，也没有时间的概念。在这一点发生了大爆炸，时间和空间从此开始，物质开始形成。最初，宇宙的温度极高，随着时间的推移，空间越来越大，温度越来越低，宇宙中的能量与物质不断发生复杂的反应，逐渐形成星系，空间继续扩大，膨胀，直到今天，宇宙仍然在膨胀之中。大约在距今50亿年前，太阳形成。大约在距今46亿年前，地球形成。宇宙继续膨胀，将来也会膨胀，也许在膨胀到一定程度后，宇宙开始收缩，可能会收缩成一个点，一个不占有空间的点。到那时，时间结束。到底会不会这样，现在还说不定。大爆炸之前是怎么回事，不知道。永远也无法知道。这就是大爆炸宇宙的理论基础。我认为;斯蒂芬·霍金教授所说的前半部分是对的，后半部分是不对的。就是我们的小宇宙发生了大爆炸到空间随时间的增长而不断的膨胀直到今天，是对的。但是我们的小宇宙不会膨胀到一定程度后开始收缩，直到又收缩到一个点成为黑洞，进而再产生一次我们的小宇宙的大爆炸。我们的小宇宙会不断的膨胀下去！我认为;大宇宙中有很多黑洞的存在，他们是产生大爆炸的种子，这些黑洞不断的吸收大宇宙中的物质，不断的膨胀下去，直到达到了大爆炸的临界点就会产生大宇宙中的大爆炸。产生出和我们一样的小宇宙。这些黑洞不断的吸收大宇宙中 一 黑洞是个很自然的想法，自然到早在1784年，牛顿发表落地苹果及其 数学原理之后一个世纪，就有个叫John Michell的人写信给卡文迪许说，如果有个星星比太阳密五百倍，那么这颗星星发出的光就会被引力拉回去。可惜卡文迪许好像不是很感兴趣，他在一年前失去了父亲，得到了130 万英镑的遗产，这对于雨人似的小卡来说肯定比发现氢气，做个扭秤什么的头疼。（小卡对于金钱的概念几乎为零，有一次，经朋友介绍，一老翁前来帮助他整理图书。此老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迫许给他较厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许，这老翁已穷极潦到，请他帮助。卡文迪许惊奇地问：“我能帮助他什么？”朋友说：“给他一点生活费用。”卡文迪许急忙从口袋掏出支票 ，边写边问：“2万镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！” 可是支票已写好，速度之快，不愧是我辈中人） Michell的黑猩猩模型很快就被大牛拉普拉斯接着发展了一下，现在 我们好像一提起黑洞都会把他老人家抬出来，其实思想上并没有前进多少。 说到拉普拉斯，给某人讲讲他的故事吧。 想当年年轻的拉普拉斯拿着一个名流的推荐信找到方正大师级的人物 达朗贝尔，人家根本就没放在心上。于是他就回去写了一篇论述力学几何的文章，这回把老人家高兴得差点让他去做教父。——如果有自信，我们自己就是最好的推荐人。 拉普拉斯研究的东西很简单，就是我们头顶的星空。他问的问题也 很简单，我们的太阳系是稳定的吗？牛顿早就给出了回答：神会在合适的时间加以调节。拉普拉斯用了二十五年写了五卷《天体力学》，证明了一大堆关于扰动，轨道之类的结论，其实和牛顿说的一样，不过是用了另一种神的语言，数学。 拉普拉斯的书里毫不脸红，毫不提及原作者的引用了拉格朗日，勒让 德等人的工作。这在那个鱼传尺素的浪漫年代让好多人过高的评价了他的贡献。不过唯一的例外是，他不能不提到牛顿。 拉普拉斯36岁的时候成为法国科学院院士，那一年他给一个非凡的16 歲畢業生進行考試，那个人日后让他做了內政大臣，他叫作拿破仑-波拿巴。 拿破仑有一次问到在他那些伟大的证明中上帝扮演了什么样的角色， 拉普拉斯说：“陛下，我不需要这个假设。” “大自然的全部結果不過是少數幾個永?a定律的數學推論。” ——拉普拉斯 “一個第一流的数学家，拉普拉斯很快就暴露出自己只是個平庸的行 政官;从他最初的工作我們就发觉，我们受骗了。拉普拉斯不能从真实的观点看出任何問題，他处处寻求精巧，想出的只是些胡涂主意，最後把無穷小的精神带进行政机关?怼！? ——拿破仑 这个故事告诉我们，如果你什么事都干不好，多半就只能当个物理 【五年级作文】黑洞之旅 2023年，宇宙航天技术已十分发达，但地球已经被人类破坏得不成样子。所以，科学家们经过多次讨论，决定将人类转移到一个叫“阿誉星”的星球。那个星球年龄比地球的 年龄还要大，上面有山有水，善良与美丽同时存在，而灾难和邪恶却从未有过。那个星球 每种生物都想去，但是在去的途中，几乎每一个飞船都在行驶了3光年后便会被黑洞卷走。科学家们经过多次商量，最后才决定碰碰运气。 我是坐第二趟宇宙飞船的。坐第一趟飞船的人平安无事到达了阿誉星，所以我心中就 不是那么害怕了。我在飞船上很开心，因为我认为，我马上就会到一个美丽的地方去了。 不过，我心中也有一些害怕，因为在路上，我们乘坐的飞船还有可能进入黑洞。但我心中 的渴望马上赶走了恐惧，很快我又开心起来，盼望早点到达阿誉星。 走了三光年的路程，我们却真的碰见了可怕的黑洞。随着“啊”的一声，我们来到了 一个黑暗的地方。 过了大约三天，我睁开眼，发现有的人已经在恐惧中死亡了。可我却不害怕，因为我 知道，在这种情况下，只有乐观面对才有可能活下去。过了又大约三天，我被一阵大风吹 到了一个美丽的公主面前，她告诉我，我在这次灾难中做得很好。她还告诉我了一个秘密：“在黑洞中，有一个充满光明的地方，到了那个地方，然后再许一个愿，你的愿望就会实现。但那个地方只有勇敢者才可以到达，并且那地方远在天边、近在眼前，很难找。如果 你用的时间超过了三天，你不但许不了愿，还会死在这里。” 感谢您的阅读，希望文章能帮助到您。 我听了她的话，反复思考，终于知道了地方。我走了两天，遇到了一只十二头龙，找 到了那个充满光明的地方，心中十分高兴。我立刻跪在地上，双手合十：“我要和所有人 一起到阿誉星！”瞬间，我们到了阿誉星，所有人拥抱在一起。 经过这次生死考验，我知道了在严酷的考验面前，要想生存就要有智慧与勇气。 感谢您的阅读，祝您生活愉快。 物理与人类文明期末大作业 论文题目：浅谈对黑洞的理解学院：管理学院 班级：工商122 姓名：张文姣 学号：1207010233 摘要：本文介绍了有关黑洞的一些问题,包括黑洞的起源、形成，处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。同时还介绍了一些对黑洞的误区；现在引发出对黑洞是否存在提出了怀疑。虽然现在我们对黑洞的认识很大程度上是在一定的猜想上进行的，但是终有一天人类会解开黑洞之谜。黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。 关键字：黑洞，黑洞理解误区，是否存在黑洞 一、黑洞的含义 黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。 二、黑洞的形成 要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解： 众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。同时恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。但是，由于热核反映能量逐渐消耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星发生塌缩。原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。这时电子之间的 斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，导致塌缩的密度是非常大的。 1. 白矮星的形成 由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，核内高温使物质发生电离。星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理。物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态。即两个相同的自旋为1/2的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。由泡利不相容原理产生的斥力就有上限。经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，称为钱德拉卡极限。当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。 2 .中子星的形成 根据万有引力公式2Mm F G R 引公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强，对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微子，使得星体内部存在大量中子。中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，称为中子简并压。经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。 黑洞的研究过程以及意义 1：引言 长期以来，黑洞以它的神秘和怪异一直吸引和困扰着人们，黑洞究竟是什么呢？它是一个洞吗？它黑吗？它冷吗？它内部到底有什么? 观测到的大量间接征兆证实，黑洞在宇宙中普遍存在，但是我们无论如何也不能直接看到它。天文学家推测它可能来自于大恒星塌缩后质量、密度变得很大而引力极强的核心；还有一些观测证据表明，在许多星系的中心更是存在着超级大黑洞。 人类虽然已拥有了先进的天文观测设备，如具有灵敏感光器的大口径光学望远镜，检测细微电磁波信号的大型射电天文望远镜，在外层空间漫游的哈勃太空望远镜等，但是人们却不能看到黑洞。 2：黑洞的研究过程以及意义 2.1黑洞的发现 黑洞刚开始是英国一个地质学家提出，由爱因斯坦预言，再由霍金用理论进行研究。 1965年，人们在天鹅座探测到一个特别强的X射线源，将它命名为天鹅X-1。据推测，它大约距离我们1万光年。1970年，世界第一颗X射线观测卫星“乌呼鲁”（斯瓦希里语“自由”的意思）升空，它发现天鹅X-1与其它X射线源不同，它忽隐忽现，频率快达每秒1000次，而且射线强度变化没有规律。这种不规律的变化，正是物理学家预料物质从吸积盘进入黑洞时将发生的状况。 人们立即对天鹅X-1进行了仔细的搜寻，在它邻近的地方发现了一颗质量约为太阳30倍的炽热蓝色超巨星。经证实，这颗蓝星与天鹅X-1互相绕着对方旋转。从种种迹象来看，天鹅X-1体积非常小，密度远远超过中子星，似乎就是我们预想中的黑洞。天文学界并没有普遍接受这一假设，但大多数人相信，天鹅X-1将是第一个被证认的黑洞。此后，天蝎V861、仙后A等星体也被猜想是黑洞，但是并没有得到确认。1999年美国宇航局发射“钱德拉”X射线望远镜，探测到一颗超新星周围物质喷出的大量X射线，科学家据此认为，这颗超新星中央存在黑洞。该望远撞拍摄的另一张照片，显示了一个遥远类星体喷射出的X 射线流达20万光年之远，其喷射出的能量可能相当于10万亿个太阳释放能量的总和。科学家认为，这样巨大的能量是从类星体中央的一个超大规模黑洞附近发出的。黑洞似乎最可能在恒星最密集和大块物质可能聚集在一起的地方形成。由于球状星团、星系核的中心区域具有这种特点，天文学家越来越相信，这种星团或星系的中心存在黑洞。有科学家认定，我们的银河系中心就有一个巨大的黑洞，其质量相当于1亿颗恒星，占银河系总质量的1/1000，直径为太阳的500倍。如果恒星接近它的速度足够快，也许会被它一口整个吞掉。 2.2黑洞的形成 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。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 1.时空间隔和物理事件 狭义相对论中，一维时间和三维空间构成闵可夫斯基四维平直时空，其度规可取为gμv=(－1,1,1,1)，任意两个物理事件的四维间隔的平方写为： (?s)2=?c2?t2+?x2+?y2+(?z)2 四维间隔的平方只有三种类型：(?s)2<0称为类时间隔；(?s)2=0是类光间隔；(?s)2>0是类空间隔。相应的物理事件分别称为类时事件、类光事件、类空事件。如果两个物理事件代表的是某一物质的运动，它们分别是亚光速运动、光速运动、超光速运动。四维间隔在洛伦兹变换下保持不变，因而这三类不同类型的运动不会通过坐标变换而互相转化。如亚光速运动不可能变为超光速运动；反之亦然。 2.时间膨胀 狭义相对论预言，运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢，这就是时钟变慢或时间膨胀效应。[2] 考虑在K系中的某一点静止不动（即空间坐标间隔为零：x=0,y=0,z=0）的一只标准时钟，此时洛伦兹变换中的前三个方程给出： x′=0,y′=0,z′=0 这是时钟在K'系中的运动轨迹，即时钟以不变速度v沿x'轴的正方向运动。洛伦兹变换中的第三个方程给出： 1 t′= 1? c2 式中t是给定时钟显示的时间间隔，因而是固有时。由于时钟的速度v总是比光速c小，该式中的1?v2 （即膨胀因子）大于1，因而t'>t，即在K'系中看来运动的时钟走慢了。但 c2 t'是坐标时，因为它是K'系中两个不同地点的时钟记录的时间之差，所以上面所谓的时间膨胀实际上是说“固有时比坐标时小”。直接的实验验证包括飞行μ子寿命增长和环球飞行原子钟速率减慢。 3.钟慢效应 由坐标变换的逆变换可知： t=γ T+Xu c2 故： ?t=γ ?T+?Xu 2 又：，（要在同地测量） ?X=0 故： ?t=γ?T （注：与坐标系相对静止的物体的长度、质量和时间间隔称固有长度、静止质量和固有时，是不随坐标变换而变的客观量。） 4.霍金悖论 英国理论物理学家史蒂芬霍金悖论主张黑洞不可能透露出东西，所有那些被它吞噬的东西将永远置身于我们的宇宙之外。这一论断被一些人称为“霍金悖论”（为了解决“悖论”从而引发了平行宇宙的概念，或者说有多个宇宙共存的说法），因为它与量子理论相抵触。 如今，霍金已修改了黑洞理论，认为黑洞是可以“重新开放”的，所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来，就像我们生活中的燃烧一样，只是信息的转化而已。 经过29年的思考，斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日，这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文，认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。 霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力：被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失，不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的，而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息，然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引 黑洞里面是什么？ 没有信号能从洞里出来告诉我们答案，也没有哪个勇敢的探险家在进入黑洞考察后还能出来告诉我们结果，他甚至不能向我们发出任何信息。 但人类的好奇心是不会满意这种回答的，人们找到了一个解决问题的工具：物理学定律。运用物理学定律，人们了解到黑洞深处的时空倒置、奇点以及奇点背后的另一个宇宙…… 一艘巨大的宇宙飞船正在黑暗深邃的太空中疾驶前行，飞船里的宇航员们正在聚精会神地工作，四周一片宁静。突然，飞船里所有的东西包括飞船本身都旋转了起来，越转越快，越转越急，而在飞船外面，无数不知名的物体猛烈而又频繁地撞击着飞船。 飞船里陷入一片混乱。报警器还没来得及鸣叫，就彻底丧失了作用！操作系统同时大面积崩溃，宇航员与外界的一切联系中断！宇航员们面面相觑，不知道发生了什么事。但这仅仅是噩梦的开始，很快，飞船似乎被一股令人恐怖的超强大力量包围起来了，无形的力量肆意蹂躏着飞船，将它压扁又拉长，紧接着，飞船被解体、被粉碎，与周围的宇宙物质混合在一起，似乎被吸入一个无形的旋涡，正在向一个令人恐惧的万丈深渊陷落……陷落…… 最后，飞船消失了，宇航员消失了，一切都消失得无影无踪，四周愈发黑暗，陷入更深的沉寂。 引力造就的恶魔 这场恐怖悲剧的制造者是谁？是黑洞。黑洞是我们宇宙中最奇怪、最神秘的物体，由于质量极其集中，它的引力场非常大，在其周围形成了一个极强的旋涡，任何靠近它的物质都会被统统吸进去，然后被牢牢囚禁在里面，甚至连光线也被它强大的引力拉回洞里，无法逃脱。因此，黑洞是宇宙中吞噬万物的恶魔，是任何物质陷进去再也逃不出来的无底深渊。 那么，如此恐怖的黑洞是如何形成的呢？理论上，任何物体只要将体积压缩至一定大小，使表面的引力强大到能抑制光的射出，则都能变成黑洞。这情形就好比用一台威力巨大的压缩机，把你压缩成原子的1000万亿之一，直径不到10的负23次厘米的大小，你就会变成一个黑洞；同样的道理，把地球压缩成一颗台球的大小，或者把太阳压缩成半径为3公里的圆球，它们也会变成黑洞。 可是事实上，黑洞的形成条件是很苛刻的，因为物体很难被压缩，它有电磁力来连结原子和分子，构成一张晶状网，这张晶状网顽强地抵抗着强大的压缩力量。所以，只有一个物体的质量极大，其向内坍缩的引力极其强烈，才能制造出黑洞。科学家们计算出，当一颗死亡恒星的残骸的质量大于3个太阳质量时，那个残骸还要不可避免地向内坍缩，最终形成黑洞。 浅谈对黑洞的理解 精品文档 --------------------------精品文档，可以编辑修改，等待你的下载，管理，教育文档---------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 物理与人类文明期末大作业 论文题目:浅谈对黑洞的理解 学院:管理学院 班级:工商122 姓名:张文姣 学号:1207010233 --------------------------精品文档，可以编辑修改，等待你的下载，管理，教育文档---------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 精品文档 --------------------------精品文档，可以编辑修改，等待你的下载，管理，教育文档---------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 摘要:本文介绍了有关黑洞的一些问题,包括黑洞的起源、形成，处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一 关于惯性思维以及打破惯性思维（思维惯势） 逃离思维惯性黑洞为了更好的说明本文的主题，不妨首先重温一下“惯性”和“黑洞”这两个物理概念。惯性是物理学中最基本的概念之一，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态。”。而黑洞属于广义相对论理论范畴，早在200年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就简要地定义了黑洞的概念：一个质量足够大并足够致密的恒星会产生强大的引力场，以至于连光线都不能从其表面逃逸。1939年美国物理学家奥本海默首次用相对论定义了这样一个时间－空间区域：光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。史蒂芬·霍金在他的畅销书《时间简史》中进一步普及了黑洞这一概念，同样让它成为了通用名词。 本质意义来说，黑洞是无法逃离的，而在本文中用了“逃离惯性黑洞”这一夸张的标题，只是希望更好地揭开“思维惯性”，以及由此产生的“组织惯性”的可怕之处。无疑，如果没有创新、变革和流程再造等这些外力去改变，思维惯性和组织惯性就会象“黑洞”一样吞噬组织和个人的生命力。 毛毛虫的悲剧与思维惯性 两则试验很好地说明了思维惯性的可怕。 法国科学家法伯曾做过一个著名的毛毛虫试验。他把若干毛毛虫放在一个花盆的边缘上，首尾相连，围成一圈，并在花盆周围不到6英寸的地方撒了一些毛毛虫最爱吃的松针。毛毛虫开始一个跟着一个，绕着花盆一圈又一圈地走，一小时过去了，一天过去了，又一天过去了，毛毛虫们还是不停地围绕花盆在转圈，一连走了七天七夜，它们终于因为饥饿和精疲力竭而死去。 毛毛虫的悲剧在于思维的惯性，在于不假思索的盲从。其实，只要有一只毛毛虫能越雷池一步，打破固有的习惯及跟随的习性，就会逃脱死亡的陷阱。事实上，很多时候，我们人，何尝不是如此。 让我们再来看看关于思维惯性的另一个实验。美国一位科学家在海洋馆里做了一个实验。他用玻璃板把一条具有攻击性的大鲨鱼和一条小鱼隔开。刚开始，这条大鲨鱼不断撞击玻璃，企图捕食隔壁的小鱼。无奈，玻璃隔板太坚硬，无论怎么发威，玻璃隔板丝毫未损。攻击了一段时间之后，它便放弃了。于是，科学家便把隔板悄悄地移开。意想不到的是，大鲨鱼再也没有攻击过小鱼。它们都温和地在各自的领域活动，互不侵犯。 毛毛虫故事告诉我们“盲从害死人”，不逃离思维惯性而进行创新就死亡。鲨鱼的故事则告诉我们，固化了的“经验”也很可怕。 两个实验故事很好地说明了思维惯性的可怕之处。思维惯性实际上就是我们常说的思维定势，人一旦形成思维定势，就会习惯地顺着定势的思维思考问题，不愿也不会转个方向、换个角度想问题，这是人类的一种愚顽的“难治之症”。从两个实验我们可以知道，真理，或者说是解决问题的办法有时只是一层窗户纸，有时很简单，只要换个思维方式就可以捅破，但由于人们的习惯性思维使自己作茧自缚了。当然，对于平凡人而言，要摆脱思维惯性，易说难做，但至少应该成为努力的方向。 不拉马的士兵与组织惯性 当组织中的人具有思维惯性时，便产生了组织惯性。组织惯性实质上是人的 《有趣的数字黑洞》教学设计 人教版数学五年级上册教材，在学完循环小数和用计算器探索规律后，教材31页有一个补充的数学小知识“你知道吗？——数学黑洞。笔者查阅相关资料后，感到“数字黑洞”知识非常有趣，有必要让学生进行初步的了解，进而来感受数学的神奇和不可思议。 一、游戏导入，自主尝试。 师：同学们喜欢玩游戏吗？今天我们就来玩一个有关数字的游戏。 游戏规则： 1、任选不完全相同的三个数字。 2、用三个数字分别组成一个最大数和最小数，求出两数之差（如果差不够三位数，用0补足）。 3、对差不断重复上面的运算。 师：谁来读一读游戏规则。（生读） 师：不完全相同的三个数字是什么意思？ 生：就是三个数字不能都一样。（能不能举个例子来说明？） 生：比如：1、2、3；2、3、4；这都可以说是不完全相同的三个数字。 师：他举的例子是三个数字都不一样，还可以是那类的数字？ 生：还可以是像2、2、3这样的，有两个数字一样。 师：同意吗？（生回：同意！） 师：有两个数字相同的也可以，比如5、5、0三个数字。需要给大家补充说明一点，如果你选用的是像5、5、0这样其中有数字是0的三个数字的话，组成的最大数是550，这个没有疑问，组成的最小数应该是055或者说是55，而不是505。 师：那么游戏规则的第3条，对差重复上面的运算是什么意思呢？ 生：就是把差看成三个数字，再组成最大数和最小数相减求差。 师：大家的理解很正确。那下面我们举例子来看看这个游戏怎么玩，选那几个数字呢？我们是五年级8班，那就取数字5和8再选一个0,0比较特殊，好不好？（生回：好）师板书如下： （此处教师板书和引导的目的是：1、让学生明确游戏规则的第3条。2、用标序号和列竖式的形式来让学生明白，怎样有序记录游戏的每一步。3、用省略号表示不断重复计算下去。） 师：如果一直这样计算下去，你就会有一个有趣而重大的发现，到底是什么发现呢？下面大家接着玩这个游戏！ 师：谁有了发现？ 生1：我有发现，我的发现是，计算下去，就会得到一个差永远是495，再重复还是495，我举了好几个例子都是这样。 师：哦，他的发现是，计算下去会得到一个数495，继续重复还是495。请你给我们展示展示你的发现过程，好不好？（学生把计算过程用投影展示出来，同时讲解） 师：这位同学讲的很清楚并且特别会学习数学。他发现规律之后，害怕是一种巧合，就又举了几个例子来验证，发现都是这样！老师觉得我们大家都要学习他的这种严谨的学习态度。 师：刚才他举得例子中三个数字都不相同，有谁和他举得例子不一样？ 生2：我的和他的不一样，我选的是0、0、1三个数字，但我的发现和他的一样，也得到了495。 师：数学真奇妙，选的数字不同，但结果是一样的。 生3：我选的三个数字是7、8、9，我计算了6次，第5次就得到了495. 师：通过刚才大家的发现，我们知道了，只要选择不完全相同的三个数字，按照游戏的规则进行计算，最终我们一定会得到一个数，这个数就是495，再重复还是495，仿佛掉进了黑洞，永远出不来一样。 师：是不是很有趣，很神奇啊？ 生：是！（生齐答） 师：这种现象，在数学上叫做“数字黑洞”（师课件出示） 师：像刚才发现的495，它就是一个数字黑洞，因为是选取不完全相同的三个数字得到 读书评论 时间本性和热力学 评《黑洞与时间的性质》 吴忠超 半年前，我收到了这部题为“黑洞与时间的性质”的电子书稿。这部专著的作者是两位理论物理工作者刘辽、赵峥教授以及他们以前的学生田贵花、张靖仪两位教授。这是一部富有智慧的作品。我阅读之际写下一些感想，供大家分享。 刘辽、赵峥从70年代迄今对引力物理做了多方面的研究，撰写了大量论文。这些论文涉及引力物理的测量问题、引力热力学、黑洞霍金辐射、奇点定理、虫洞、量子宇宙学、时序猜测、黑洞信息丢失等等，这些都已纳入了这部专著。限于篇幅，这篇短文只能就他们对时间本性与热力学关系的贡献作一点介绍。 我们知道，古今中外的思想家都为探索时间的本性绞尽脑汁，而时间仍一如既往地保持着它永恒的神秘。在爱因斯坦之前，康德以自然科学家和哲学家的双重身份对时间和空间提出了一些真知灼见，而其余的人只不过以不同的语言对时间进行了一些描述。我们谈论最多的是时间，最不了解的也是时间。只有在爱因斯坦提出狭义相对论和广义相对论之后，时间本性的研究才真正进入科学的王国，这只是近一百年的事。 广义相对论的意义是，时空被其中的物质的能量动量张量所弯曲，而引力物理最基础的实验无非是时空的测量问题。从某种意义上讲，广义相对论早期三大验证也是时空测量问题。在爱因斯坦与朗道等人研究工作的基础上，赵峥从80年代起就开始关注这方面的探讨。他发现热力学第零定律，即热平衡具有传递性，与钟速同步的传递性等价。无论是热力学第零定律，还是钟速同步传递性，若不成立，这个物理世界就会面目全非。 在经典广义相对论中，霍金和彭罗斯在上个世纪70年代证明了，在非常广泛的物理条件下，时空中至少存在一个固有时间有限的物理过程。赵峥等指出，“固有时间有限”必然伴随着系统温度达到绝对零度或出现发散的情况，这违背了用固有温度表达的广义热力学第三定律。这就进一步增强了下述信念：考虑引力量子化的广义热力学定律将排除时空奇点，保证时间的无始无终性。 田贵花与赵峥用整体微分几何探讨了这方面的问题，并意外地发现，如果采用固有时间进行量度，则沿类光测地线运动的“自由光线”的加速度不是零，而是无穷大。这是一个耐人寻味的结果。 热力学第一定律，即热物理框架中的能量守恒定律，显示了时间流逝的均匀性。热力学第二定律因霍金辐射的发现而在引力物理中大放异彩。科学界已达成共识：黑洞视界的面积代表了黑洞的熵。本书作者历年来在霍金辐射的方向做了很多贡献，发表了大量论文。近年来，对黑洞过程是否破坏信息守恒的问题，威尔切克（F. Wilczek，诺贝尔奖得主）和帕利克（M. K. Parikh）就史瓦兹黑洞提出了富有创见的隧穿机制，证明了黑洞辐射过程信息守恒。张靖仪与赵峥把他们的工作推广到克尔黑洞族以及更一般的黑洞，同时指出，他们的证明中假设了黑洞辐射是可逆过程，而真实的过程肯定不可逆，因此威尔切克和帕利克的证明有很大局限性，他们还未能证明信息守恒。这对黑洞信息丢失问题给出了新的启示。 “时间机器”最早出现于科幻小说。从1988年开始，索恩等人对这一课题展开了科学探讨，他们用广义相对论研究了制造“时间机器”的可能性。由于“时间机器”可 作者简介：吴忠超，浙江工业大学物理系教授。 黑洞高中作文800字素材 人类首张黑洞照是在中国上海和台北、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、日本东京和美国华盛顿全球六地同时对外发布，这是人类首次通过图像直观的看到黑洞。这里给大家分享一些以黑洞为话题的高中作文，希望对大家有所帮助。 以黑洞为话题的高中作文篇1 早在1784年，英国物理学家约翰·米歇尔就从理论上预言过这种神秘天体。他设想，有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体，他称之为“暗星”。 不过，由于“暗星”不可见，要想在空间中找到这样一个天体，对当时的科学家来说几乎是天方夜谭。这也使得在此后很长一段时间里，“暗星”的问题逐渐被搁置。 直到1915年，爱因斯坦广义相对论提出之后，黑洞研究迎来转机。爱因斯坦将引力视为时空扭曲，他在方程中预言，一个足够小而重的物体，能隐藏在事件视界之内，而在这视界内，引力强大到连光都无法逃逸。 世纪以来，越来越多的天文学家开始认真思考这种“太空监狱”存在的可能性。中科院国家天文台研究员苟利军介绍，1962年，新西兰物理学家罗伊·克尔解决了旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题。 其后，这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。而英国物理学家霍金等人关于黑洞的研究，尤其是霍金关于黑洞熵和黑洞霍金辐射的研究，启发人们思考黑洞的内部。 探索未知，是人类拓展自身疆界的重要过程。无论仰望星空，还是审视自己，当地球上的人们全体凝视同一方向，如同黑洞这样曾经深藏不露的未知，终将一个接一个。 对于黑洞具体是什么样子，在这次拍照前，天文学家们通过各种间接证据表明黑洞的存在，比如，黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，人们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。根据黑洞吸积物质(吃东西)发出的光来判断黑洞的存在。 近年来技术的发展，为黑洞的成像带来了可能。EHT(“事件视界望远镜”)的“八只眼睛”向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，勾勒出黑洞的模样，据介绍，这张黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。基于甚长基线干涉测量技术，它把分布在全球各个地方的望远镜组合起来，形成等效于地球万公里长的望远镜，使它具备了观测遥远天体非常高的分辨本领。最近十年，全球科 有趣的数字黑洞 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】 思维体操《有趣的数字“黑洞”》 教学内容：五上第三单元P38“你知道吗？” 教学目标： 1、了解数学中数字“黑洞”等有趣的现象，探索数学奥秘。 2、通过合作探究，培养协作能力与合作的意识。 3、拓展数学课外知识，宣传数学文化魅力，培养数学学习的兴趣。 教学重点：了解四位数黑洞6174，探究三位数黑洞 教学难点：自觉探究三位数黑洞495 教学准备：计算器课件 教学过程： 一、引入 1、谈话：同学们，你们听说过“黑洞”吗？ 2、介绍“宇宙黑洞”： 黑洞是天文学中的一个概念，它是宇宙中一种非常神秘的天体，体积很小，密度却大得惊人，不论什么东西，只要被它吸进去，就再也别想爬出来，就连最强的X光线也妄想逃脱黑洞的引力.（如果要让地球成为一个黑洞,那么需要把地球压缩成一颗豌豆那么大） 3、在数学这个神秘的王国里，也存在着类似天文学上的黑洞—数字黑洞.。 二、了解“西西弗斯串”——123黑洞 数学中的123就跟英语中的ABC一样平凡和简单。然而，按以下运算顺序，就可以观察到这个最简单的黑洞值： 偶：数出该数数字中的偶数个数，在本例中为2，4，6，8，0，总共有5个。 奇：数出该数数字中的奇数个数，在本例中为1，3，5，7，9，总共有5个。 总：数出该数数字的总个数，本例中为10个。 新数：将答案按“偶-奇-总”的位序，排出得到新数为：5510。 重复：将新数5510按以上算法重复运算，可得到新数：134。 重复：将新数134按以上算法重复运算，可得到新数：123。 “123数学黑洞（西西弗斯串）”现象已由回族学者秋屏先生于2010年5月18日作出严格的数学证明，请看他的论文：《“数学黑洞（西西弗斯串）”现象与其证明》（正文网址在“扩展阅读”中）。自此，这一令人百思不解的数学之谜已被彻底破解。此前，大学数学教授米歇尔·埃克先生仅仅对这一现象作过描述介绍，却未能给出令人满意的解答和证明。 着名的“123黑洞”还有个别名叫做“西西弗斯串”。这里有个古老的神话传说 西西弗斯是人间最足智多谋又机巧的人，他是科林斯的建城者和国王。当宙斯掳走河神的女儿，河神曾到科林斯找寻其女，知悉此事的西西弗斯以一条四季常流的河川做为交换条件告知。由于泄露了宙斯的秘密，宙斯便派出死神要将他押下地狱。没有想到西西弗斯却用计绑架了死神,导致人间长久以来都没有人死去，一直到死神被救出为止，西西弗斯也被打入冥界。 黑洞與時間的性質 黑洞的表面積 黑洞的真正邊界是外視界無限紅移面與能層(儲能區)僅為黑洞的附屬物 因此,人們定義外視界的面積為黑洞的表面積,它為任一時刻,處的曲面的面積 下面我們同時算出內,外視界的面積,即處的面積: 在的條件下,克爾-紐曼時空線元化成 度規行列式 內,外視界的面積 其中,為外視界面積,也就是我們通常講的黑洞表面積; 為內視界面積,不同種類的黑洞有不一樣的內,外視界面積 R-N黑洞的內,外視界面積為 史瓦西黑洞的內視界消失,外視界面積為 黑洞的溫度與熱輻射 黑體是只吸收但不反射任何輻射,自身會發射輻射(即熱輻射)的理想物體,其性質由溫度決定; 而由於黑洞的性質類似黑體(任何物質包括輻射都不能逃出,,意即只吸收但不反射任何輻射) 所以結論是黑洞也具有熱輻射且與溫度有關(霍金於1973年證明,稱為霍金輻射) 在霍金輻射的過程中黑洞面積會縮小,質量會減少. 從近代的研究中發現黑洞量子熱效應,表明由大質量恆星經由引力坍塌形成的黑洞,並非是恆星演化的最終歸宿,而是一個中間環節. 黑洞熱性質之一,無毛定理: 我們從克爾-紐曼度規(1-1)式 我們得到這個時空的度規(如何彎曲)僅取決於黑洞的(總質量),(總角動量)和(總電荷) 無毛定理即是說克爾-紐曼黑洞的全部性質由M,J,Q三個參量決定,我們無法以這三個參量為線索來考察此黑洞形成前星體的任何信息掉落黑洞的物體同樣遵循無毛定理(物體失去掉落前的所有信息,除M,J,Q以外) 從熱力學角度來看待體落入黑洞的過程(失去信息,信息相當於負熵)為熵增加的過程 黑洞的熱性質之二,面積定理: 霍金於1971年證明(在宇宙監督假設與強能量條件成立的前提) 黑洞的表面積在順時方向永不減少 數學表述形式為 (1-2) 強能量條件為 (1-3) 其中是物質密度,是應力壓強,此條件物理意義為:時間中應力不能太負.一般物質均滿足強能量條件 在不考慮霍金輻射的效應下,面積定理是正確的 結論是,由於霍金輻射造成黑洞面積減少的效應十分緩慢,在普通的黑洞合併過程中可以忽略不計, 因此還是符合面積定理 但是我們若以極長的時間尺度來考慮,,例如超越GUT(大統一理論) 所預測的質子壽命(年) 經過這麼長的時間,一個黑洞的霍金輻射就非常明顯了 黑洞的知识 “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星（比如天狼星伴星，体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多！也就是说，它的密度在1000万吨/立方米左右）和中子星（密度为10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨！对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者就不值一提了）一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 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，那么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。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯 “数字黑洞”及其简易证明 安徽省芜湖市万春中学 林闯 近年来，在各级各类数学竞赛或数学考试中屡屡出现一类所谓的“数字黑洞”问 题。这类问题既有趣、又神秘，还很怪异，往往让人琢磨不透.而教辅杂志或互联网上的相关文章大多数总是惊叹这些“数字黑洞”是如何的奇妙，如何的乖巧，却对它们的内在奥秘闭口不提.即使是少数专业杂志上给出了严格的证明，但一般也用到了较高深的数论知识，非普通读者可以轻松阅读.笔者经过仔细研究，对一些常见于书报的“数字黑洞”得到了一些相对浅显的、变通的证明，目的是想让更多的读者不光“知其然”，而且“知其所以然”.通过这些简易的证明，足以让读者承认这些“数字黑洞”的真实存在，并且能够透视出真正操纵它们的“幕后黑手”.下面，笔者就来给读者朋友们介绍几个著名的“数字黑洞”及其简易证明. 问题1：（2003年青岛市中考数学试题） 探究数字“黑洞”：“黑洞”原指非常 奇怪的天体，它体积小，密度大，吸引力强，任何物体到了它那里都别想再“爬”出来．无独有偶，数字中也有类似的“黑洞”，满足某种条件的所有数，通过一种运算，都能被它“吸”进去，无一能逃脱它的魔掌．譬如：任意找一个3的倍数的数，先把这个数的每一个数位上的数字都立方，再相加，得到一个新数，然后把这个新数的每一个数位上的数字再立方、求和，…，重复运算下去，就能得到一个固定的数T ＝ ，我们称它为数字“黑洞”．T 为何具有如此魔力？通过认真的观察、分析，你一定能发现它的奥秘！ 分析：如果我们先取18，首先我们得到5138133=+，然后是153315333=++， 接下去又是153，于是就陷在“153153?→?F ” （F 代表上述的变换规则，下同）这个 循环中了。 再举个例子，最开始的数取756，我们得到下面的序列： 1535131080792684756F ?→??→??→??→??→?F F F F 这次复杂了一点，但是我们最终还是陷在“153153?→?F ”这个循环中。 随便取一个其他的3的倍数的数，对它进行这一系列的变换，或迟或早，你总会掉到 “153153?→?F ”这个“死循环”中，或者说，你总会得到153.于是我们可以猜想“黑 洞”T ＝153. 现在要讨论的问题是：是否对于所有的符合条件的自然数都是如此呢？ 西方把153称作“圣经数”。这个美妙的名称出自圣经《新约全书》约翰福音第21 章.其中写道：耶稣对他们说：“把刚才打的鱼拿几条来.” 西门· 彼得就去把网拉到岸上.那网网满了大鱼，共一百五十三条；鱼虽这样多，网却没有破.圣经数这一奇妙的性质是以色列人科恩发现的。英国学者奥皮亚奈，对此作出了证明.《美国数学月刊》对有关问题还进行了深入的探讨. 以下笔者给出一种中学生可以看得懂的验证方法.具体探究步骤是： 1. 设k x x x n 21=,当5≥k 时，有()()() k F x x x F n F k 3219999=≤= ＜k 310 又由指数函数的性质（上高中时会学到），可得，k ＜410-k ， 黑洞的简单介绍 摘要：黑洞，是20世纪以来的一个一直热门的研究课题，但是由于黑洞的不可直观性，使得许多关于黑洞的理论还只是建立在推论与猜想上。关于黑洞，在本文中我主要简单介绍了一下关于黑洞的形成(即黑洞是由一些足够大的星体不停坍缩而形成的),黑洞的视界及内部的奇点（奇点量子效应），和黑洞的消亡。 关键词：黑洞坍缩视界奇点量子效应 序言 根据科学家们的推算，宇宙大爆炸大约发生在137亿年以前。宇宙大黑洞，是一个从爱因斯坦建立广义相对论以后最重要的物理理论结果，也是现在唯一一个可以统一相对论和量子理论，同时又可以使人类在对物理极至理论的探索道路上继续迈进的一种星体。黑洞是神秘的，说它神秘是因为：黑洞是位居宇宙空间和时间构造中的一些深不见底的类似井状的东西，具有极大的吸引力，包括光在内的任何物体都无法逃脱被吸入的命运。这就使得人们对于黑洞的研究变得异常困难：它既不向外散发能量，也不表现出任何形式的能量，人们根本无法看到它。因此，人们对于黑洞的研究就象是对一种看不见的东西进行研究。我这这篇文章的目的就是为大家介绍一下黑洞的形成，黑洞的视界及黑洞内部的奇点，以及黑洞的消亡。对于研究黑洞，我认为这是必须了解的。 一黑洞的形成 早在1795年，法国的天文学家、数学家和物理学家拉普拉斯就曾指出，在一个质量足够大的星球表面，光线是不可能逃出去的。按照牛顿引力理论，每个星体都有一定的逃逸速度。地球 的逃逸速度就是所谓第二宇宙速度，大约是11公里／秒。对质量大而体积小的天体来说，这个逃逸速度可能大于光速。在这种情况下，星体发的光也不能发射到远处去。因而，在外部看来，它就是一个不发光的天体。可以称它为牛顿理论中的黑洞。不过，我们已经知道，牛顿的引力理论在原则上是不能处理光的问题的，我们不能轻信这个结果。 广义相对论中依然存在无限引力坍缩的过程。设想一个人正站在发生坍缩的星体表面。他持有一盏强大的灯。在坍缩之前，引力场还很弱，他的灯光可以向四面八方发射出去。光线大体都沿着直线传播。当恒星开始坍缩后，质量逐渐集中到越来越小的范围之中。当恒星的尺度减小时，它的表面引力就变得越来越大，引起光线变曲。最初，只有那些在水平方向的光线才有明显弯曲，这些被弯曲的光线并没有发射出星体，而是折回到星体表面。坍缩继续下去，灯的光线将越来越收拢。最后，所有的光线都不再能逃离星体表面。我们说，这是恒星缩小到它的“视界”之内了。落进视界之内的任何东西，都不可能再被外界的观测者看到。这就形成了黑洞。 “视界”就是黑洞的表面。质量为十个太阳质量的恒星，它的视界半径约为30公里。也就是说，当这种恒星坍缩到半径约30公里的大小时，就开始成为黑洞。任何进入视界的东西，都不可能再出来。而且，当一颗坍缩的星，收缩到自己的视界之内以后，就再也没有任何物理过程可以阻止住它进一步的坍缩。它必将无限的坍缩下去，最终变成一个点，在这个点上许多量都变成无限大，所以它叫做“奇点”。 在坍缩过程中，星体越来越暗，因为能逃出去的光越来越少。恒星变暗的过程是极其快的。一颗质量为十个太阳质量的星体，在开始坍缩后约百分之一秒，就几乎完全看不见了。 通常，黑洞是无法被发现的，但是也有例外：如果在它附近有气团，则会产生飞向黑洞的气流，于是气流也暴露了黑洞的位时间简史——从大爆炸到黑洞_高中作文
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