黑洞的简单介绍

发布时间：2012-05-28 08:57:33 来源：文档文库

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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置。众所周知，在压缩时气体物质会被加热到几百万度，同时产生强烈的 X 射线辐射。用 X 射线观测望远镜就可以探测到黑洞的存在。 2004 年，著名的 “ 钱德拉 ”X 射线观测望远镜发现了一颗巨大黑洞的 X 射线，并将其命名为 “SDSSpJ306” ，它位于距离我们地球 26 亿光年的 MS0735 星团。天文学家通过对这些 X 射线和其所在星系的重力影响一起进行检测，推测它 “ 出生 ” 于 127 亿年前 ――― 而宇宙大爆炸发生在 137 亿年前。这说明，黑洞与星系同时演化，两者谁也不会单独主导早期宇宙中星体的快速诞生。在此次观测中，天文学家们还在处于星系中心的 “SDSSpJ306” 黑洞的周围发现了许多新生星体，而且更多的星体正在形成之中。该发现给新出现的星系形成演化理论提供了重要的直接证据。

二黑洞的视界及奇点

恒星的质量，用M⊙作为单位，代表是太阳质量的多少倍。如果一个恒星的质量小于等于10-3M⊙，那么恒星就表现为行星的样子，其中静电力为主导，恒星不会塌缩，在自己的燃料都消耗完后，成为一个真正意义上的行星。如果质量比10-3M⊙大，但是没有超过钱德拉塞卡极限：1.4 M⊙，那么引力就占主导，而且恒星在它的晚年成为一个白矮星，继续消耗着自己的燃料。当燃料也消耗光了，那么白矮星就结晶为一个黑矮星，继续存在着，做几乎完全的刚体运动。质量比1.4 M⊙大的恒星的命运就比较坎坷了。如果在在晚年爆发为红巨星的时候，将过多的物质喷射出去，那么它将进入白矮星坟墓。如果喷射的物质不够多，那么就会在爆发为红巨星后，迅速塌缩为一个白矮星，然后在极其短的时间内继续塌缩下去，冲破电子简并压的极限，终结在中子星的坟墓中。中子星比白矮星更加致密，也更加接近刚体。如果质量比2 M⊙大许多，在爆发的时候喷射掉物质后的质量仍然比2 M⊙大，那么它将成为一个黑洞。

在白矮星和中子星系列中，原本恒星的电磁场的能量将保持不变，同时由于表面积的缩小，磁力线会被挤压在一个十分小范围中，从而增加了磁场的强度。脉冲星和超新星就是中子星和中子星和喷射出的物质的残留。

但是到了黑洞范围中，情况就不一样了。在中子星和白矮星中，磁力线还是存在的，但是在黑洞内部，不存在磁力线。所有的磁力线都被束缚在了视界上（膜规范）。不单单是磁力线，连恒星原本的电荷都是类似电子一样完全均匀地分布在整个视界上的。向外发射的磁力线在黑洞没有旋转的时候，和电子周围的电磁场分布一样，完全球对称。在黑洞旋转的时候，由于视界成为了椭球，因而发生了相应的形变。但是整体上，黑洞和基本粒子的电磁场分布几乎完全一样。

黑洞的视界周长与黑洞的质量成正比关系：，这里用周长而不用物体到黑洞中心的距离，是因为如果黑洞存在，那么在黑洞周围的时空必定已经被黑洞的引力拉成了非欧几里德的，而是黎曼的了。因而距离的概念已经没有了必要，视界周长和轨道的周长取而代之，用来描述黎曼时空几何的弯曲程度。由于这里的时空是弯曲的，因此牛顿的万有引力定律已经失效了，取而代之的是爱因斯坦的场方程。我们这里仅仅使用其中的结果：。从这个公式，我们可以得到一个描述潮汐力（就是物体在相对接近和远离的两个部位受到的引力的差）的公式：，其中的l就是这两个部位之间的距离。从这个公式，我们又可以知道什么呢？我们知道的是，当物体接近视界时，物体所受到的潮汐力反比于黑洞质量的平方！也就是说，黑洞越重，那么它的潮汐力越柔和！但是必须注意的是：我们这里说的潮汐力，而不是引力。潮汐力是引力引起的物体两端的引力差。无论什么黑洞，他的引力是保持巨大无比不会变的，变的是引力的变化率，以及这个变化率引起的潮汐力。

这里说的是黑洞的外部，现在来看看黑洞的内部。在黑洞的内部，是量子理论的天下，相对论仅仅指明了一个模糊的方向，而具体潮汐力、引力如何，是量子理论决定的。在这里，奇点的混沌效应使得一切计算都是徒劳的，我们不可能知道潮汐力在什么方向上以多大的力是拉还是压一个物体。我们可以做的，仅仅是说明一下，质量越大的黑洞，内部的量子效应越柔和；距离奇点越远，你受到的平均潮汐力越柔和。至于细节，我们无能为力。

但是也不是什么都不能说。我们通过概率的计算，可以知道，在奇点周围，视界内的空间，随机的潮汐力总在三个方向上不断交替地、比较有周期地来回拉扯、挤压着物体。这种力在离奇点越近的地方越显著。在奇点这个位置，这种潮汐力的强度、变化周期都达到了无限大，物体被完全撕裂了。理论上，我们可以在一个质量十分大的黑洞中，十分舒服的来到距离奇点一个特定的范围，期间，从你落入黑洞到达到这个位置，可能需要数十年的时间，需要的时间与黑洞质量的平方成反比。

当然，即使是这样，物体在接近奇点，到达奇点周围的量子效应区域以后，还是会被奇点的量子效应摧毁。但是无论黑洞的质量如何，奇点的量子效应的强度是不会变的，因为奇点的“质量”是不变的。黑洞的质量在黑洞形成的同时，其实已经被黑洞的奇点销毁了，但是由于引力的非线形效应，引力场的能量又形成了引力场，从而使得引力场在黑洞内部不断叠加，因而使得黑洞被维持着没有爆裂。由于一切引力效应来自引力的非线形，而黑洞的质量的贡献仅仅是决定了这种非线形的程度，因而在奇点周围的量子效应的时空其实在任何质量的的黑洞内部都是一样的。

奇点的量子效应，使得物体在到达奇点前先被越来越大的量子效应完全撕成了小个体（大小由量子混沌潮汐力效应的强度决定），然后，一般在达到奇点以前就已经整个被奇点的混沌潮汐力摧毁，成为了基本粒子。这些基本粒子如夸克这样被强核力牢牢束缚着的基本粒子才可能熬到直接面临奇点的时候，但是即使是强力，在巨大引力效应和量子混沌效应的作用下，还是难逃被支解的命运，成为了纯粹的物质弦。随后可能通过史瓦西喉被抛到了外部空间，可能成为后来量子蒸发的材料，可能形成了子宇宙，可能在奇点周围不断游荡，可能成为了纯粹的能量，以潮汐力的形式继续存在，可能成为了纯能量以引力波的形式辐射掉，可能……总之，形成黑洞的恒星被所形成的黑洞摧毁了，不在对黑洞的引力提供任何贡献了。黑洞中引力的来源，在奇点形成以后，主要就是来自于引力的非线形结构。这个会在下文介绍相对论的时候介绍到引力的非线形，在介绍到量子理论的时候介绍到引力子的自作用。

当然，这个是量子引力——弯曲时空的量子场定律——所给的黑洞内部的描写，但不是最终描写。物体在达到黑洞的时候可能会得到转机，可能在黑洞内部真的存在史瓦西喉——虫洞；也许在你达到黑洞以前就会在一个转动黑洞周围被撕裂的空间吸走；也许你在达到奇点时，会进入一个子宇宙，在时空组中荡漾……

三黑洞的一些特点

依照爱因斯坦的相对论，重力会使时间慢下来。因此当我们接近黑洞的时候，由于受到极强的重力效应，时间会慢下来，甚至有可能在我们接近到黑洞的某个范围内，当经过一秒钟时，外界已过百年。

若是把时钟放在重力微弱的地方（例如地球）是很难（但还是金额以办到）测出重力对时间的影响的。但若是把时钟放在重力强大，如黑洞那里，则里可能见到重力对时间的影响，至于影响之大小则又依观察者位置的不同而不同。对于掉入黑洞的人来说，重力增大会使他对事物的认识加快;他会觉得他被黑洞吸了进去，一下子就到了“底”。但对于位于远方的不受黑洞影响的观察着而言，他看到的情况恰恰与此相反。在他眼中，那位不幸的掉入黑洞的人的行动似乎动得很慢，而且好像越接近黑洞，就移动的越缓慢。原因是，根据相对论的预测，黑洞强大的重力会使时间延缓下来，所以那个黑洞边的人似乎永远都还没掉落到底。在最底下的地方？所有的质量和能量都被减缩为极小的点？空间消失，时间也停止了。黑洞内应用于外界的一切物理定律都宣告终止。

虫洞是连接时空架构中两个不同地方的的弯曲通道，它能扭曲空间，可以让原本相隔亿万公里的地方近在咫尺。

现在科学家已经证实，黑洞的存在确实会使周围的空间极度扭曲。根据广义相对论，光线在正常的空间里以直线传播，但当空间扭曲的时候，光线会随着空间的扭曲方向而扭曲。如果能给一束射入黑洞的光线拍照的话，我们会发现光线会呈螺旋形指向黑洞中心。因为黑洞的巨大质量使得周围的空间扭曲的不成样了。如果通过对黑洞的深入研究，找到了能克服黑洞边上强大压力的方法，那样的话瓦普跳跃飞行就不再是梦想了。

四黑洞的消亡

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬霍金做此语言时，整个科学界为之震动。

黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所：没有什么可以逃出黑洞，它们吞噬了气体和星体，质量增大，因而洞的体积只会增大。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量（当一个粒子从黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量，黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的能量，而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失）。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，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢，它们的辐射非常微弱，因此另人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以至最终失控。黑洞萎缩时，引力并也会变陡，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞委琐的越来越快，促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变得更亮、更热，当温度达到1015℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭。

五黑洞研究的意义

中国科学院上海天文台沈志强介绍，天文学中很多研究看似和生活毫无干系，但是却能帮助人类更好地了解外部世界。黑洞是研究宇宙起源的关键问题之一。爱因斯坦的广义相对论是黑洞理论的依据，而霍金又将量子论引入其中，提出了“黑洞不黑”“黑洞既吞又吐”的重要理论。关于黑洞的起源、黑洞的结构、黑洞是否会消亡，现在都尚无定论。待这一切都揭开面纱后，人们还能运用其原理。

参考文献

1 《黑洞》〔法〕约翰-皮尔·卢米涅著卢炬甫译湖南科学技术出版社 2002年05月