你知道黑洞是什么吗?答:
黑洞有巨大的引力,连光都被它吸引,无法逃逸。黑洞中隐藏着一个巨大的引力场,而这个引力是如此之大,以至于任何东西,甚至是光,都无法逃出黑洞的手掌。黑洞不会让其边界内的任何东西被外界看到,这也是这类物体被称为“黑洞”的原因。我们无法通过光的反射来观察它,只能通过周围受其影响的物体来间接了解黑洞。话虽如此,黑洞还是有它的边界,即“视界”。据推测,黑洞是死星的残余,是在一颗特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。另外,质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到最后阶段一定会形成黑洞,质量小于钱德拉塞卡极限的恒星不能形成黑洞。(带)
■物理观点的解释
黑洞其实是一颗行星(类似于行星),但是密度非常非常高,靠近它的物体都会被它的引力束缚(就像地球上的人不会飞走一样),无论用多快都逃不掉。对于地球来说,以第二宇宙的速度(11.2km/s)飞行可以逃离地球,但是对于黑洞来说,它的第二宇宙速度超过了光速,所以连光都跑不出去,所以射进来的光没有反射回来,我们的眼睛除了黑什么也看不见。
黑洞动力学
为了理解黑洞的动力学以及它们如何阻止内部的一切逃离边界,我们需要讨论广义相对论。
■广义相对论相关性
广义相对论是爱因斯坦创立的引力理论,适用于行星、恒星和“黑洞”。爱因斯坦在1916提出的这个理论,说明了空间和时间是如何被大质量物体的存在所扭曲的。简而言之,广义相对论说物质会弯曲空间,空间的弯曲反过来会影响穿过空间的物体的运动。
让我们来看看爱因斯坦的模型是如何工作的。首先考虑时间(空间的三维是长、宽、高)是现实世界中的第四维(虽然很难画出通常三个方向之外的另一个方向,但可以尽量想象)。其次,考虑时空是体操表演用的一张巨大绷紧的弹簧床的床面。
爱因斯坦的理论认为质量会弯曲时间和空间。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这个场景:石头的重量使绷紧的床面下沉了一点。虽然弹簧床表面基本是平的,但其中心还是略凹。如果在弹簧床的中央多放些石头,会有更大的效果,使床面下沉更多。事实上,石头越多,弹簧床面弯曲越多。
同理,宇宙中的大质量物体会扭曲宇宙的结构。就像10石头比1石头更能弯曲弹簧床一样,质量比太阳大得多的天体比质量等于或小于一个太阳的天体更能弯曲空间。
如果一个网球在绷紧的弹簧床上滚动,它将沿直线运动。相反,如果它通过一个凹的地方,它的路径是弧形的。同理,天体在穿越时空的平坦区时会继续直线运动,而穿越弯曲区的天体会以弯曲的轨迹运动。
现在我们来看看黑洞对周围时空区域的影响。想象在弹簧床上放一块非常重的石头来代表一个非常密集的黑洞。石头自然会对床面产生很大的影响,不仅会使其表面弯曲下沉,还会导致床面破碎。类似的情况也可以发生在宇宙中。如果宇宙中存在黑洞,那里的宇宙结构就会被撕裂。这种时空结构的破裂被称为奇点或时空奇点。
现在让我们来看看为什么没有东西能逃出黑洞。就像网球滚过弹簧床会掉进大石头形成的深洞一样,穿过黑洞的物体会被它的引力陷阱抓住。而且,拯救不吉利的物体需要无限的精力。
正如我们已经说过的,没有任何东西能进入黑洞并从中逃脱。但科学家认为黑洞会慢慢释放能量。英国著名物理学家霍金在1974中证明了黑洞具有非零的温度,并且温度高于其周围环境。根据物理学原理,所有温度高于周围环境的物体都会释放热量,黑洞也不例外。一个黑洞会发出几百万万亿年的能量,黑洞释放的能量被称为“霍金辐射”。当黑洞消散了所有的能量,它就会消失。
时空之间的黑洞让时间变慢,让空间变得有弹性,同时吞噬一切穿过它的东西。1969,美国物理学家约翰?阿迪。惠勒将这个贪得无厌的空间命名为“黑洞”。
我们都知道黑洞是看不见的,因为它不能反射光。在我们的心目中,黑洞可能是遥远而黑暗的。但英国著名物理学家霍金认为,黑洞并不像大多数人想象的那么黑。通过科学家的观测,黑洞周围有辐射,而且很可能来自黑洞,也就是说黑洞可能没有想象中的那么黑。霍金指出,黑洞的放射性物质来源是一种固体粒子,在太空中成对产生,不遵循通常的物理规律。而且,这些粒子碰撞后,有的会消失在茫茫太空中。一般来说,在这些粒子消失之前,我们可能没有机会看到它们。
霍金还指出,黑洞产生时,真实粒子会相应地成对出现。其中一个真实粒子会被吸进黑洞,另一个会逃逸,一堆逃逸的真实粒子看起来就像光子。对于观察者来说,看到逃逸的真实粒子就像看到黑洞发出的光线。
所以引用霍金的一句话“一个黑洞并没有想象中的那么黑”,它其实发射出了大量的光子。
根据爱因斯坦的能量和质量守恒定律。当一个物体失去能量时,它也会失去质量。黑洞也遵守能量和质量守恒定律。当黑洞失去能量时,它就不存在了。霍金预言,黑洞消失的那一刻,会产生剧烈的爆炸,释放出相当于百万颗氢弹的能量。
但是不要满怀期待的抬头,以为会看到烟火表演。其实黑洞爆炸后,释放的能量非常大,很可能对身体有害。而且能量释放时间也很长,有的会超过10亿年到200亿年,比我们宇宙的历史还要长,能量完全消散需要几万亿年。
“黑洞”很容易被想象成“大黑洞”,其实不然。所谓“黑洞”就是这样一个天体:它的引力场强大到连光都逃不掉。
根据广义相对论,引力场会弯曲时空。当恒星较大时,其引力场对时空的影响很小,恒星表面某一点发出的光可以直线向任意方向发射。恒星的半径越小,对周围时空的弯曲作用越大,在某些角度发出的光会沿着弯曲的空间回到恒星表面。
当恒星的半径小于某个值(天文学上称之为“史瓦西半径”)时,甚至会捕捉到垂直面发出的光。这时,恒星变成了黑洞。说它“黑”是指任何东西一旦掉进去,都逃不掉,包括光。其实黑洞真的是看不见的。
黑洞的产生
黑洞的过程类似于中子星。恒星的核心在自身重量的作用下迅速收缩,剧烈爆炸。当核心的所有物质都变成中子时,收缩过程立即停止,被压缩成一个致密的星球。但在黑洞的情况下,由于星核的质量如此之大,以至于收缩过程无休止地进行,中子本身在挤压引力本身的吸引下被磨成粉末,剩下的就是密度难以想象的物质。任何靠近它的东西都会被它吸进去,黑洞会变得像吸尘器一样。
和白矮星、中子星一样,黑洞很可能是由质量超过太阳20倍的恒星演化而来。
当恒星老化时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),中心产生的能量也快用完了。这样,它就不再有足够的强度来承受外壳的巨大重量。因此,在外壳的沉重压力下,核心开始坍塌,直到最后形成一个小而致密的恒星,它能够再次平衡压力。
质量较小的恒星主要演化成白矮星,质量较大的恒星可能形成中子星。根据科学家的计算,中子星的总质量不可能大于太阳质量的三倍。如果超过这个值,就没有与自身引力抗衡的力,就会导致另一次大坍缩。
这一次,根据科学家的猜测,物质将无情地向中心点前进,直到它变成一个小体积,并趋于非常致密。而当它的半径收缩到一定程度时(一定要小于史瓦西半径),正如我们上面提到的,巨大的引力使得连光都无法射出来,从而切断了恒星与外界的一切联系——一个“黑洞”诞生了。
根据科学家的计算,如果一个物体的速度为每秒7.9公里,它可以在空中绕地球一周,而不会被地球引力拉回地面。这个速度被称为第一宇宙速度。想要彻底摆脱地球引力的束缚,至少要有11.2km/s的速度,也就是所谓的第二宇宙速度。但对于其他天体来说,逃离其表面所需的速度不一定那么大。一个天体的质量越大,半径越小,就越难摆脱它的引力,脱离它所需要的速度也就越大。
根据这个道理,我们可以这样想:可能存在一个质量很大,半径很小的天体,使得它逃逸的速度达到了光速。换句话说,这个天体的引力是如此之强,以至于连每秒30万公里的光都被它的引力托住,跑不出去。既然这个天体的光是逃不掉的,那我们讲的时候就看不到了,所以它是黑的。光是宇宙中速度最快的,没有任何物质的运动速度能超过光速。既然光逃不出这个天体,当然其他物质也逃不出。只要一切都被吸进去了,就再也出不来了,就像掉进了一个无底洞,这就是天体,人们称之为黑洞。
我们知道,现在太阳的半径是70万公里。如果变成黑洞,半径会大大减小。到什么程度?只能是三公里。地球更可怜。它的半径现在已经超过了6000公里。如果变成黑洞,半径会缩小到只有几毫米。那里会有这么大的压缩机,可以把太阳和地球缩小这么多!这就像电影里的童话,黑洞,是如此的离奇。但是,以上并不是想象出来的,而是基于严格的科学理论。原来黑洞也是由恒星晚年转变而来,像质量相对较小的恒星,晚年会变成白矮星;质量比较大的时候会形成中子星。现在再补充一点,质量更大的恒星,在晚年最终会变成黑洞。所以,综上所述,白矮星中子星和黑洞是恒星晚年三次变化的结果。
现在,白矮星找到了,中子星找到了,黑洞找到了?我们也应该找到他们。主要是因为黑洞是黑的,真的很难发现。尤其是那些单黑洞,我们现在无能为力。有一种情况更容易发现黑洞,那就是双星中的黑洞。
双星是两颗互相围绕轨道运行的恒星。虽然我们看不到黑洞,但我们可以分析可见恒星的运动路线。原因是什么?因为双星中的每一颗恒星都是沿着椭圆路线运动的,但是单星不会这样运动。如果我们看到一颗恒星在天空中沿着椭圆路线运动,却看不到它的‘伴星’,那就值得仔细研究了。我们可以测量恒星走过的椭圆的大小,以及它完成一周所用的时间。有了这些,我们就可以计算出看不见的‘同伴’的质量。如果计算出的质量非常大,超过了中子星可以拥有的质量,就可以进一步证明它是黑洞。
在天鹅座中,有一对名为天鹅座X-1的双星。这些双星中有一颗是可见的亮星,但另一颗是不可见的。根据亮星的运动路线,可以推算出它的‘伴星’质量很大,至少是太阳的5倍。这么大的质量对任何中子星来说都是不可能的。当然,除了这些还有其他证据。因此,基本可以确定天鹅座X-1中的隐形天体是一个黑洞。这是人类发现的第一个黑洞。
此外,还发现有几对双星与天鹅座X-1相似,其中可能存在黑洞。科学家们正在对它们做进一步的研究。“黑洞”很容易被想象成“大黑洞”,其实不然。所谓“黑洞”就是这样一个天体:它的引力场强大到连光都逃不掉。