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黑洞


术语”黑洞”的出现

? 黑洞这一术语是不久前出现的。1969年美

国科学家约翰 惠勒为了形象的描述至少可 以回溯到200年前的一个观念时,杜撰了这 个名词。

小辞典
? 奇点:空间——时间的具有无限曲率的一点 ? 大爆炸:宇宙开端的奇点

? 大挤压:宇宙终结的奇点
? 裸奇点:不被黑洞围绕的时空奇点

黑洞的产生(1
黑洞的产生过程类似于中子星的产 生过程;恒星的核心在自身重力的 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 本身在挤压引力自身的吸引下被碾 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 生的力量,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——伽马射线。

黑洞的产生(2
? 由于恒星质量很大,聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,

以维持恒星结构的稳定。由于聚变,氢原子内部结构最终发 生改变,破裂并组成新的元素——氦元素,接着,氦原子也 参与聚变,改变结构,生成锂元素。如此类推,按照元素周 期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等 生成,直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。这是由于铁元素 相当稳定不能参与聚变,而铁元素存在于恒星内部,导致恒 星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡, 从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞。说它“黑”,是指它就 像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,就再不能逃出。 跟白矮星和中子星一样,黑洞可能也是由质量大于太阳质量 好几倍以上的恒星演化而来的

黑洞演化过程(1
? 吸积 ? 黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被

发现的,这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能 的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目 前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低 的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时,它们产生的 辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸 积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在 提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经 常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的

黑洞演化过程(2
? 蒸发 ? 由于黑洞的密度极大,根据公式我们可以知道

密度=质量/体积,为了让黑洞密度无限大,那就说 明黑洞的体积要无限小,然后质量要无限大,这样 才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形 成的死星,它的质量极大,体积极小。但黑洞也有 灭亡的那天,按照霍金的理论,在量子物理中,有 一种名为“隧道效应”的现象,即一个粒子的场强 分布虽然尽可能让能量低的地方较强,但即使在能 量相当高的地方,场强仍会有分布,对于黑洞的边 界来说,这就是一堵能量相当高的势垒,但是粒子 仍有可能出去。

黑洞演化过程(3
? 毁灭
?

黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小, 甚至会爆炸。 当黑洞的质量越来越小时, 它的温度会越来越高。这样,当黑洞损失质 量时,它的温度和发射率增加,因而它的质 量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数 黑洞来说可以忽略不计,因为大黑洞辐射的 比较慢,而小黑洞则以极高的速度辐射能量, 直到黑洞的爆炸。

吞噬恒星
? 2011年8月,天文学家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的

过程,这被认为是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。 照片中的黑洞仿佛魔鬼一般,一颗接近它的恒星瞬 间被撕碎变成发光等离子体后消失无形。据报道, 照片中的黑洞距地球40亿光年。据悉,大部分星系 都有一个超大质量黑洞,这些黑洞质量大小不一, 质量从相当于100万个到100亿个太阳的质量不等。 而黑洞每隔一亿年才会吞噬一颗恒星,因此科学家 认为,这个黑洞比预计的质量更大。

黑洞作用过程1
? 恒星的引力场改变了光线的 路径,使之

和原先没有恒星情况下的路径不一样。 光锥是表示光线从其顶端发出后在空 间——时间里传播的轨道。光锥在恒星 表面附近稍微向内偏折,在日食时观察 远处恒星 发出的光线,可以看到这种偏 折现象。当该恒星收缩时,其表面的引 力场变得很强,光 线向内偏折得更多, 从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。 对于在远处的观察者而言, 光线变得更 黯淡更红。最后,当这恒星收缩到某一 临界半径时,表面的引力场变得如此 之 强,使得光锥向内偏折得这么多,以至 于光线再也逃逸不出去

黑洞作用过程2
? 根据相对论, 没有东西会

走得比光还快。这样,如 果光都逃逸不出来,其他 东西更不可能逃逸,都会 被引力拉回去。也就是说, 存在一个事件的集合或空 间——时间区域,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。 现在我们将这区域称作黑 洞,将其边界称作 事件视 界,它和刚好不能从黑洞 逃逸的光线的轨迹相重合。

时间终点
? 如果整个宇宙坍缩,在将来必有另一个无限

密度的状态, 即大挤压,这是时间的终点。 即使整个宇宙不坍缩,在任何坍缩形成黑洞 的局部区域里 都会有奇点。这些奇点正是任 何落进黑洞的人的时间终点。

结论
? 然而,如果我们确实发现了一套完整的理论,

它应该在一般的原理上及时让所有人 (而不 仅仅是少数科学家)所理解。那时,我们所 有人,包括哲学家、科学家以及普普 通通的 人,都能参加为何我们和宇宙存在的问题的 讨论。如果我们对此找到了答案,则 将是人 类理智的最终极的胜利——因为那时我们知 道了上帝的精神。

Thank you

?

部分摘自时间简史


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