第一篇：奇妙的數(shù)學(xué)黑洞

數(shù)學(xué)黑洞

數(shù)學(xué)黑洞

茫茫宇宙之中,存在著這樣一種極其神秘的天體叫“黑洞”（black hole）。黑洞的物質(zhì)密度極大，引力極強(qiáng)，任何物質(zhì)經(jīng)過(guò)它的附近，都要被它吸引進(jìn)去，再也不能出來(lái)，包括光線也是這樣，因此是一個(gè)不發(fā)光的天體黑洞的名稱由此而來(lái)。由于不發(fā)光，人們無(wú)法通過(guò)肉眼或觀測(cè)儀器發(fā)覺(jué)它的存在，而只能理論計(jì)算或根據(jù)光線經(jīng)過(guò)其附近時(shí)產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象而判斷其存在。雖然理論上說(shuō)，銀河系中作為恒星演化終局的黑洞總數(shù)估計(jì)在幾百萬(wàn)到幾億個(gè)之間，但至今被科學(xué)家確認(rèn)了的黑洞只有天鵝座X－

1、大麥哲倫云X－

3、AO602－00等極有限的幾個(gè)。證認(rèn)黑洞成為21世紀(jì)的科學(xué)難題之一。

數(shù)學(xué)被譽(yù)為“科學(xué)之母”，在現(xiàn)代科技的發(fā)展中起著定海神針般的作用，而現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)更是被認(rèn)為將是一場(chǎng)“數(shù)學(xué)家和信息學(xué)家的戰(zhàn)爭(zhēng)”。在信息戰(zhàn)中，要運(yùn)用數(shù)學(xué)作大量的模擬運(yùn)算，運(yùn)用數(shù)學(xué)在空間作精確的定位，運(yùn)用數(shù)學(xué)對(duì)導(dǎo)彈作精密制導(dǎo)，運(yùn)用數(shù)學(xué)來(lái)研究保密通信的算法，運(yùn)用數(shù)學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)攻擊利器。

無(wú)獨(dú)有偶，在數(shù)學(xué)中也有這種神秘的黑洞現(xiàn)象。

1.123黑洞（即西西弗斯串）

數(shù)學(xué)中的123就跟英語(yǔ)中的ABC一樣平凡和簡(jiǎn)單。然而，按以下運(yùn)算順序，就可以觀察到這個(gè)最簡(jiǎn)單的黑洞值：

設(shè)定一個(gè)任意數(shù)字串，數(shù)出這個(gè)數(shù)中的偶數(shù)個(gè)數(shù)，奇數(shù)個(gè)數(shù)，及這個(gè)數(shù)中所包含的所有位數(shù)的總數(shù)，例如：1234567890，偶：數(shù)出該數(shù)數(shù)字中的偶數(shù)個(gè)數(shù)，在本例中為2，4，6，8，0，總共有 5 個(gè)。

奇：數(shù)出該數(shù)數(shù)字中的奇數(shù)個(gè)數(shù)，在本例中為1，3，5，7，9，總共有 5 個(gè)。

總：數(shù)出該數(shù)數(shù)字的總個(gè)數(shù)，本例中為 10 個(gè)。

新數(shù)：將答案按 “偶-奇-總” 的位序，排出得到新數(shù)為：5510。重復(fù)：將新數(shù)5510按以上算法重復(fù)運(yùn)算，可得到新數(shù)：134。重復(fù)：將新數(shù)134按以上算法重復(fù)運(yùn)算，可得到新數(shù)：123。

結(jié)論：對(duì)數(shù)1234567890，按上述算法，最后必得出123的結(jié)果，我們可以用計(jì)算機(jī)寫出程序，測(cè)試出對(duì)任意一個(gè)數(shù)經(jīng)有限次重復(fù)后都會(huì)是123。換言之，任何數(shù)的最終結(jié)果都無(wú)法逃逸123黑洞。

“123數(shù)學(xué)黑洞（西西弗斯串）”現(xiàn)象已由中國(guó)回族學(xué)者秋屏先生于2010年5月18日作出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，請(qǐng)看他的論文：《“數(shù)學(xué)黑洞（西西弗斯串）”現(xiàn)象與其證明》。自此，這一令人百思不解的數(shù)學(xué)之謎已被徹底破解。此前，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)數(shù)學(xué)教授米歇爾〃?？讼壬鷥H僅對(duì)這一現(xiàn)象作過(guò)描述介紹，卻未能給出令人滿意的解答和證明。

2、6174和39

5前蘇聯(lián)的科普作家高基莫夫在他的著作《數(shù)學(xué)的敏感》一書中，提到了一個(gè)奇妙的四位數(shù)6174，并把它列作“沒(méi)有揭開(kāi)的秘密”。不過(guò)，近年來(lái)，由于數(shù)學(xué)愛(ài)好者的努力，已經(jīng)開(kāi)始撥開(kāi)濃霧，逐步見(jiàn)天日了。

6174有什么奇妙之處？

請(qǐng)隨便寫出一個(gè)四位數(shù)，這個(gè)數(shù)的四個(gè)數(shù)字有相同的也不要緊，但不準(zhǔn)這四個(gè)數(shù)完全相同，例如3333、7777等都應(yīng)該排除。

寫出四位數(shù)后，要把它整理一下，其辦法是：把這個(gè)數(shù)中的各位數(shù)字按大到小的順序和從小到大的順序重新排列，將得到由這四個(gè)數(shù)字組成的四位數(shù)中的最大者和最小者，兩者相減，就得到另一個(gè)四位數(shù)（如果數(shù)位不足，就在前面添0補(bǔ)足四位）。將組成這個(gè)四位數(shù)的四個(gè)數(shù)字施行同樣的變換，又得到一個(gè)最大的數(shù)和最小的數(shù)，兩者相減，……這樣循環(huán)下去，一定在經(jīng)過(guò)若干次（最多7次）變換之后，得到6174。

例如，開(kāi)始時(shí)我們?nèi)?shù)8208，重新排列后最大數(shù)為8820，最小數(shù)為0288，8820-0288=8532；對(duì)8532重復(fù)以上過(guò)程：8532-2358=6174。這里，經(jīng)過(guò)兩步變換就掉入6174這個(gè)“黑洞”里。（這里，0288也得看成一個(gè)四位數(shù)。）再如，我們開(kāi)始取數(shù)2187，按要求進(jìn)行變換：

8721-1278=7443→7443-3447=3996 →9963-3699=6264→6642-2466=4176 →7641-1467=6174。

這里，經(jīng)過(guò)五步變換就掉入了“黑洞”—— 6174。

拿由1、4、6、7這四個(gè)數(shù)字組成的任意四位數(shù)來(lái)說(shuō)，都只需一步：7641-1467=6174，就掉入“黑洞”再也出不來(lái)了。

所有的四位數(shù)都會(huì)掉入6174這個(gè)黑洞，不信者可以取一些數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證之后，你不得不感嘆6174的引力之大。

由這個(gè)四位數(shù)黑洞我們自然會(huì)想到：是否存在類似的其它位數(shù)的黑洞呢？顯然，存在類似黑洞的前提是，必須有類似6174的數(shù)，即這個(gè)數(shù)等于重排它的各個(gè)數(shù)碼的最大數(shù)與最小數(shù)的差。在三位數(shù)中找到了495，你看：954-459=495，得到的仍然是495。

495這個(gè)黑洞有多大的引力呢？也就是說(shuō)它能把多少個(gè)三位數(shù)吸到這個(gè)黑洞中來(lái)呢？其實(shí)，495的吸引力與6174一樣大！它能把除三個(gè)數(shù)碼一樣的三位數(shù)以外的所有三位數(shù)都吸到495這個(gè)黑洞中來(lái)，并且最多不超過(guò)6步。如果不信，你可以試試。

四位數(shù)與三位都找到了具有強(qiáng)大吸引力的黑洞。遺憾的是，人們?cè)趦晌?、五位、六位、七位?shù)、……中竟然找不到類似6174和495這樣的數(shù)，自然也就不存在這些數(shù)位的類似的黑洞了。

3、如來(lái)佛手掌 《西游記》里的孫悟空是一個(gè)神通廣大、本領(lǐng)高超的人物，他能七十二變，還會(huì)騰云駕霧，一個(gè)筋斗可翻出十萬(wàn)八千里外。但不管他怎樣變幻，一蹦有多遠(yuǎn)，總還是落在如來(lái)佛的掌心里，難以逃脫。這當(dāng)然只是一個(gè)神話故事。但是，數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這樣的現(xiàn)象竟然也會(huì)在數(shù)學(xué)的變幻中出現(xiàn)。

我們隨便選一個(gè)數(shù)，比如選人們認(rèn)為很吉利的數(shù)168吧。如果把這個(gè)數(shù)的每 一位數(shù)字都平方，然后相加，即

168→1+36+64=101。

這樣一來(lái)，原來(lái)的數(shù)就變?yōu)?01；接下來(lái)將101這個(gè)數(shù)的每一位數(shù)字都平方，并相加，即101→1+0+1=2，……按照這種變換不斷重復(fù)，就能得到：

4→16→37→58→89→145→……

算著算著，有的讀者也許會(huì)不耐煩起來(lái)：“這不是一個(gè)無(wú)底洞嗎？恐怕算到明天也算不完！”不要太性急，只要你耐心地算下去，不要多久，就會(huì)出現(xiàn)奇跡 的。結(jié)果是：

168→101→2→4→16 →37 →58

↑→

489

↑→

20← 42← 14

5你看，這些數(shù)字像孫悟空一樣，跌進(jìn)了如來(lái)佛的手掌——旋渦黑洞，再也出 不來(lái)了！

4.自戀性數(shù)字

除了0和1自然數(shù)中各位數(shù)字的立方之和與其本身相等的只有153、370、371和407（此四個(gè)數(shù)稱為“水仙花數(shù)”）。例如為使153成為黑洞，我們開(kāi)始時(shí)取任意一個(gè)可被3整除的正整數(shù)。分別將其各位數(shù)字的立方求出，將這些立方相加組成一個(gè)新數(shù)然后重復(fù)這個(gè)程序。

除了“水仙花數(shù)”外，同理還有四位的“玫瑰花數(shù)”（有：1634、8208、9474）、五位的“五角星數(shù)”（有54748、92727、93084），當(dāng)數(shù)字個(gè)數(shù)大于五位時(shí)，這類數(shù)字就叫做“自冪數(shù)”。

第二篇：數(shù)學(xué)黑洞歷險(xiǎn)記

數(shù)學(xué)黑洞歷險(xiǎn)記

江蘇省海門市樹勛中心小學(xué)五（2）班陸蘇皖陳少杰和金戈在“數(shù)學(xué)童話島”完成任務(wù)后，又接到了一個(gè)任務(wù)：把在數(shù)學(xué)星球的多洛洛帶回來(lái)。

陳少杰和金戈聽(tīng)了，立刻坐上飛船，駛向了數(shù)學(xué)星球。

不料，他們還沒(méi)到達(dá)目的地，就被一個(gè)黑洞吸了進(jìn)去。由于被黑東西進(jìn)去時(shí)，飛船轉(zhuǎn)動(dòng)的太快，他們支持不住，暈了過(guò)去。

當(dāng)他們醒來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)面前有一塊牌子，上面寫著：歡迎來(lái)到數(shù)學(xué)黑洞，你們必須把里面的三道題全部答對(duì)，才能直接到數(shù)學(xué)星球。不然，你們就會(huì)被黑洞的黑能量分解。陳少杰和金戈看了，立刻向前走去。

第一關(guān)是蘑菇怪，它說(shuō)：“四頭牛四天吃四百千克草。請(qǐng)問(wèn)：一頭牛一天吃多少千克草?”陳少杰聽(tīng)了，回答道：“這簡(jiǎn)單，只要用400÷4＝100千克，再用100÷4＝25千克，所以，一只牛一天吃25千克草。”“可惡，你們等著，我一定會(huì)回來(lái)的！”說(shuō)完，蘑菇怪便消失了。

第二關(guān)是圣光天馬，它說(shuō)：“小紅住在八樓（是最高層），樓房第一層3.4米，其他2.8米。請(qǐng)問(wèn)：這樓一共有多高？”金戈看了，立刻笑了起來(lái)：“哈哈，小兒科嘛！8－1＝7層，7×2.8+3.4=23米?！薄安?！這不可能，不??”還沒(méi)說(shuō)完，圣光天馬就消失了。

終于來(lái)到最后一關(guān)了，譜尼見(jiàn)兩員大將都失敗了，便出了一道題:1、2、3哪個(gè)最大?陳少杰和金戈看了，異口同聲地說(shuō):“論字體1最大，但數(shù)值3最大?！弊V尼聽(tīng)了，只好乖乖放他們出去，陳少杰和金戈把多洛洛接了回去，順利完成了任務(wù)。

第三篇：奇妙的數(shù)學(xué)

奇妙的數(shù)學(xué)

從小到大，我們每個(gè)人都是生活在數(shù)學(xué)的環(huán)境中。出世：檢測(cè)各項(xiàng)健康指標(biāo)，量身高，稱體重。幼兒園：數(shù)數(shù)，畫三角形、圓、方塊，搭積木，折紙。小學(xué)：老師教會(huì)了我們整數(shù)、分?jǐn)?shù)、加減乘除四則運(yùn)算、立 體圖形、平面圖形。中學(xué)：老師將會(huì)教你們研究數(shù)，研究圖形性質(zhì)，判別圖形及 性質(zhì)，建立科學(xué)的思維方式。數(shù)學(xué)伴我成長(zhǎng)，生活中處處都離不開(kāi)數(shù)學(xué)。

數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學(xué)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是研究數(shù)和形的科學(xué)。提到數(shù)學(xué)，我們有一種感覺(jué)，數(shù)學(xué)是自然中最基礎(chǔ)的學(xué)科，它是所有科學(xué)之父，沒(méi)有數(shù)學(xué)，就不可能有其他科學(xué)的產(chǎn)生。就人類發(fā)展史而言，數(shù)學(xué)在其中起的作用是巨大的。

讓我們一起來(lái)感受數(shù)學(xué)的奇妙之處吧：

（1）123黑洞 在天文學(xué)上有著著名的“黑洞”現(xiàn)象，無(wú)獨(dú)有偶，在數(shù)學(xué)中也有這種神密的黑洞現(xiàn)象，對(duì)于數(shù)學(xué)黑洞，無(wú)論怎樣設(shè)值，在規(guī)定的處理法則下，最終都將得到固定的一個(gè)值，就像宇宙中的黑洞可以將任何物質(zhì)（包括運(yùn)行速度最快的光）牢牢吸住，不使它們逃脫一樣。我們選取任意一個(gè)數(shù)字串，例如9288759，數(shù)出這個(gè)數(shù)中的偶數(shù)個(gè)數(shù)、奇數(shù)個(gè)數(shù)，及這個(gè)數(shù)中所包含的所有位數(shù)的總數(shù)，你可以分別得到3(3個(gè)偶數(shù))、4(4個(gè)奇數(shù))和7(總共有7位數(shù))。用這3個(gè)數(shù)字組成一個(gè)數(shù)字串：347。對(duì)347重復(fù)上述過(guò)程，你得到1、2、3，即又得到一個(gè)數(shù)字串：123.對(duì)123再重復(fù)這個(gè)過(guò)程，你還是得到123。對(duì)這個(gè)程序以及數(shù)的“宇宙”來(lái)說(shuō)，123就是一個(gè)數(shù)字黑洞。每一個(gè)數(shù)按照這個(gè)程序最后都得到123嗎？用一個(gè)真正大的數(shù)試試看．例如*********，這個(gè)數(shù)中的偶數(shù)、奇數(shù)及全部位數(shù)的個(gè)數(shù)分別為20、25和45.將這三個(gè)數(shù)組成數(shù)字串：202545，對(duì)202545重復(fù)這個(gè)過(guò)程得到4、2和6，于是，又得到數(shù)字串：426.再次重復(fù)這個(gè)程序從中得到303，最后一次得到123。數(shù)字黑洞有兩處重要的特征：第一，一旦你得到123，你就再也出不去了；第二，每一個(gè)受到黑洞之力作用的因素最終都被拉進(jìn)了黑洞。對(duì)任何一個(gè)數(shù)字串反復(fù)運(yùn)用這個(gè)程序，你最后都將得到123。第二個(gè)特征將你吸引進(jìn)去，第一個(gè)特征則使你陷入洞中無(wú)法逃脫．不信，你試一試！

（2）神秘的“陷阱數(shù)“。隨便選一個(gè)四位數(shù)，如1628.先把組成1628的四個(gè)數(shù)字由大到小重新排列得到 8621，再把1628的四個(gè)數(shù)字由小到大排列得到1268，用大數(shù)的減小數(shù)，即8621－1268 = 7353；把7353按上面的辦法重復(fù)一遍，由大到小排列得到7533，由小到大排列得到3357，則7533－3357 = 4176。把4176再重復(fù)一遍：7641－1467 = 6174。如果再往下做，奇跡就出現(xiàn)啦！7641－1467 = 6174。這是偶然的嗎？我們隨便舉一個(gè)數(shù)，比如 2005，按上面的方法去做。

5200－(00)25 = 5175 ；7551－1557 = 5994；9954－4599 = 5355；5553－3555 = 1998；9981－1899= 8082；8820－（0）288 = 8532；8532－2358 =6174.好啦！6174的“幽靈”又出現(xiàn)了

在生活中，也能在很多地方感受到數(shù)學(xué)的美妙之處。比如報(bào)幕員在舞臺(tái)寬度的0.618處能達(dá)到最佳報(bào)幕效果。高清晰度電視的屏幕要設(shè)計(jì)成16：9。人的形體是個(gè)完美的黃金分割比，肚臍剛好就是整個(gè)人體的黃金分割點(diǎn)，喉頭剛好是頭頂?shù)蕉?臍的黃金分割點(diǎn)，膝關(guān)節(jié)是肚臍到腳的黃金分割點(diǎn)，肘關(guān)節(jié)是手指到肩部的黃金分割點(diǎn)。人的正常體溫是37.5度，37.5 × 0.618=23.175，在大熱天，空調(diào)開(kāi)到這個(gè)溫度是最佳的。

數(shù)學(xué)是一個(gè)很奇妙的學(xué)科，只要我們用心去學(xué)，一定能感受到他的美妙。

第四篇：黑洞觀后感

黑洞觀后感

姓名：扎旺班級(jí)：金融3班

黑洞這個(gè)概念在我高中時(shí)期就曾聽(tīng)過(guò)，一直對(duì)此充滿了興趣，但是一直都沒(méi)有機(jī)會(huì)涉獵。直到讀大學(xué)在馬克思主義基本原理概論課上，我才真正的和黑洞有了一次親密接觸。當(dāng)時(shí)的我十分激動(dòng)，充滿著小小的期待與迷惑。

在看這部影片的時(shí)候，我不禁想到了牛頓這個(gè)物理學(xué)上的巨人，在他晚年的時(shí)候，牛頓開(kāi)始致力于對(duì)神學(xué)的研究。他否定哲學(xué)的指導(dǎo)作用，虔誠(chéng)地相信上帝，埋頭于寫以神學(xué)為題材的著作。當(dāng)他遇到難以解釋的天體運(yùn)動(dòng)時(shí)竟提出了“神的第一推動(dòng)力”的謬論。他說(shuō)“上帝統(tǒng)治萬(wàn)物我們是他的仆人而敬畏他、崇拜他”

黑洞是一個(gè)密度極大的點(diǎn)，有著極強(qiáng)的重力和吸引力，以至于光線都無(wú)法穿越。那么黑洞是怎么形成的呢？這得追溯到宇宙大爆炸。黑洞的產(chǎn)生類似于中子星的產(chǎn)生過(guò)程某一個(gè)恒星在準(zhǔn)備滅亡時(shí)，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過(guò)程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星體，同時(shí)也壓縮了內(nèi)部的空間和時(shí)間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過(guò)程無(wú)休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來(lái)的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去。黑洞開(kāi)始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質(zhì)，黑洞會(huì)釋放一部分物質(zhì)，射出兩道純能量——γ射線。

1960年8月貝克林首先發(fā)現(xiàn)了銀河系的中心，這讓人們對(duì)黑洞的存在抱有極大的疑惑。他們發(fā)現(xiàn)在距離銀河系的中心—黑洞越近星系運(yùn)行的速度越快。也就是說(shuō)：離黑洞越近引力就越大，當(dāng)完全接近這一點(diǎn)時(shí)所有的物質(zhì)將會(huì)無(wú)法逃逸直至被撕碎。這是因?yàn)楹阈堑臅r(shí)空扭曲改變了光的路徑。光在恒表面附近稍微向內(nèi)偏折，當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時(shí)，其質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得也更強(qiáng)，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對(duì)于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑（史瓦西）時(shí)，其質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲變得如此之強(qiáng)，使得光向內(nèi)偏折得這么也如此之強(qiáng)，以至于光線再也逃逸不出去。這樣，如果光都逃逸不出來(lái)，其他東西更不可能逃逸，都會(huì)被拉回去。也就是說(shuō)，存在一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。目前科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大的黑洞，它的質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的100億倍，他們距離地球2.7億光年。大質(zhì)量黑洞還在成長(zhǎng)。出現(xiàn)在宇宙年齡僅為12億年時(shí)的活躍黑洞，其質(zhì)量要比稍后出現(xiàn)的大部分大質(zhì)量黑洞質(zhì)量小十倍?？茖W(xué)家對(duì)黑洞的成長(zhǎng)速度進(jìn)行了估算。該研究小組發(fā)現(xiàn)，那些最古

老的黑洞，即那些在宇宙年齡僅為數(shù)億年時(shí)便開(kāi)始進(jìn)入全面成長(zhǎng)期的黑洞，它們的質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的100到1000倍。研究人員認(rèn)為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有關(guān)。

科學(xué)家的這一系列研究發(fā)現(xiàn)無(wú)疑給后來(lái)者做了很好的鋪墊。作為后來(lái)者我們更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，培養(yǎng)良好的科學(xué)興趣，為人類對(duì)世界的研究盡自己的綿薄之力。我們更應(yīng)該對(duì)前期科學(xué)家的研究持有懷疑的態(tài)度，取其精華，棄其糟粕。以促進(jìn)科學(xué)事業(yè)的再發(fā)展。

作為當(dāng)代大學(xué)生的我們，更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)和運(yùn)用馬克思主義。努力學(xué)習(xí)馬克思主義基本原理是大學(xué)生個(gè)人成長(zhǎng)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的客觀需要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。更不能像牛頓晚年那樣，竟然用神學(xué)的觀點(diǎn)去解釋自然現(xiàn)象。要堅(jiān)持馬克思主義，堅(jiān)持唯物主義和無(wú)神論的觀點(diǎn)，用馬克思主義武裝自己，確定馬克思主義的堅(jiān)定信念，才能使人辨明事理，發(fā)揮其導(dǎo)向作用，我想這才是我們學(xué)習(xí)這門課程的真正意義所在

第五篇：《黑洞》論文

論黑洞

摘要：黑洞（Black

hole）是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無(wú)限大，體積無(wú)限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失效。

黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無(wú)法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。

黑洞無(wú)法直接觀測(cè)，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。并且，我們可以根據(jù)史瓦西半徑，可計(jì)算出一個(gè)天體要維持形態(tài)的最小半徑，根據(jù)黑洞的半徑可反推算其質(zhì)量。

一、黑洞的物質(zhì)介紹

“黑洞”這個(gè)名字，總是令人遐想聯(lián)翩。那么，究竟什么是“黑洞”呢？

這個(gè)名字的第一個(gè)字“黑”，表明它不會(huì)向外界發(fā)射或反射任何光線，也不會(huì)發(fā)射或反射其他形式的電磁波——無(wú)論是波長(zhǎng)最長(zhǎng)的無(wú)線電波還是波長(zhǎng)最短的γ射線。因此人們無(wú)法看見(jiàn)它，它絕對(duì)是“黑”的。第二個(gè)字“洞”，說(shuō)的是任何東西只要一進(jìn)入它的邊界，就休想再溜出去了，它活像一個(gè)真正的“無(wú)底洞”。[3]

也許有人會(huì)想：假如我用一只超級(jí)巨大的探照燈對(duì)準(zhǔn)黑洞照過(guò)去，像照妖鏡照住“妖怪”那樣，黑洞不就“現(xiàn)原形”了嗎？錯(cuò)了！射向黑洞的光無(wú)論有多強(qiáng)，都會(huì)被黑洞全部“吞噬”，不會(huì)有一點(diǎn)反射。這個(gè)“無(wú)底洞”，照樣還是那么“黑”。把這種奇特的天體稱為“黑洞”，真是太妙了。黑洞并不是科學(xué)家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓建立的力學(xué)理論推測(cè)：“一個(gè)直徑像地球、密度為太陽(yáng)250倍的發(fā)光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里。”

這話是什么意思呢？我們不妨先從宇宙飛船說(shuō)起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進(jìn)入行星際空間，速度至少要達(dá)到11.2千米/秒，否則它就永遠(yuǎn)逃不出地球引力的控制。這11.2千米/秒的速度，就是任何物體從地球引力場(chǎng)中“逃逸”出去所需的最低速度，稱為地球的“逃逸速度”。太陽(yáng)的引力比地球引力強(qiáng)大得多，因此太陽(yáng)的逃逸速度也要比地球的大得多，為618千米/秒。再進(jìn)一步，要是一個(gè)天體的逃逸速度達(dá)到了光速，那么就連光線也不可能從它那里逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞，拉普拉斯所說(shuō)的那個(gè)恒星便是生動(dòng)的一例。光是宇宙間跑得最快的東西，既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西也就休想逃出去了。

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入。如今，關(guān)于黑洞的更準(zhǔn)確的說(shuō)法是：“黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個(gè)封閉的邊界，稱為黑洞的‘視界’；外界的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界，視界內(nèi)的東西卻不能逃逸到外面去?！闭?yàn)楹诙慈绱恕爸贿M(jìn)不出、貪得無(wú)厭”，所以才有了一個(gè)不雅的外號(hào)：“太空中最自私的怪物”。

不過(guò)，事情也不是那么簡(jiǎn)單。出乎人們意料，黑洞這個(gè)“怪物”，有時(shí)候竟然還十分“慷慨”。這又是怎么一回事呢？原來(lái)，在20世紀(jì)70年代，英國(guó)科學(xué)家霍金等人以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像“蒸發(fā)”那樣穩(wěn)定地往外發(fā)射粒子?？紤]到這種“蒸發(fā)”，黑洞就不再是絕對(duì)“黑”的了?；艚疬€證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且質(zhì)量越小的黑洞溫度就越高，質(zhì)量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發(fā)也很微弱；小黑洞的溫度很高，蒸發(fā)也很猛烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽(yáng)那么大的黑洞，大約需要一年才能蒸發(fā)殆盡；但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙?，竟然?huì)在一秒鐘內(nèi)就蒸發(fā)得干干凈凈！

二、黑洞的形成根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)將使時(shí)空彎曲。當(dāng)恒星的體積很大時(shí)，它的引力場(chǎng)對(duì)時(shí)空幾乎沒(méi)什么影響，從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對(duì)周圍的時(shí)空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。

等恒星的半徑小到一特定值(天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”)時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí)，恒星就變成了黑洞。說(shuō)它“黑”，是指它就像宇宙中的無(wú)底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的，當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

三、光被吸收的原因

光的發(fā)展可以分為幾個(gè)時(shí)期，萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子光學(xué)時(shí)期以及現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期。

17世紀(jì)，意大利格里馬第首先得到光的衍射現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)點(diǎn)光源的情況下，一根直桿的影子比假設(shè)光沿直線傳播應(yīng)有的寬度稍微大一點(diǎn)，也就是說(shuō)光不嚴(yán)格安智賢傳播，而會(huì)繞過(guò)障礙物前進(jìn)。接著1672-165年間胡克也觀察到衍射現(xiàn)象。并且和玻意耳獨(dú)立研究了薄膜產(chǎn)生的彩色干涉條紋。這些都是光的波動(dòng)性的萌芽。

在1801年楊氏通過(guò)著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”滿意地揭示了白光下薄膜顏色的由來(lái)。還第一次測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲尼耳補(bǔ)充了惠更斯原理。形成了人們熟知的惠更斯-菲尼耳原理，運(yùn)用這個(gè)原理不僅僅能圓滿地解釋光在均勻的各向同性的介質(zhì)中直線傳播，還能解釋光通過(guò)障礙物時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象。因此，它成為了波動(dòng)光學(xué)的一個(gè)重要原理。

1900年普克郎引進(jìn)量子概念后，解決了波動(dòng)理論不能解釋的黑體輻射問(wèn)題，并且得到了黑體輻射公式。他的理論開(kāi)始突破經(jīng)典物理在圍觀的束縛。打開(kāi)了認(rèn)識(shí)光的微粒性的途徑。第一個(gè)完全肯定光除了波動(dòng)性還有粒子性的是愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表的論文中。指出電磁輻射不僅被發(fā)射和吸收是以能量的微粒的形式出現(xiàn)而且以是速度c在空間當(dāng)中運(yùn)動(dòng)。即光以微粒的形式存在。因此，即使是光，也無(wú)法逃逸出黑洞。

四、黑洞的觀測(cè)

黑洞的確無(wú)法觀測(cè)到,但是黑洞引力產(chǎn)生的現(xiàn)象卻可以被科學(xué)家觀測(cè)到：（1）雙星吸積,即黑洞對(duì)周圍恒星的吸積現(xiàn)象是可以被觀測(cè)的.（2）黑洞接近無(wú)限大的引力可以某恒星的光線彎曲很厲害產(chǎn)生的引力透鏡讓我們看到恒星的全貌,即使該恒星背面我們沒(méi)有黑洞幫忙是永遠(yuǎn)也看不到的.（3）黑洞吸積物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的X射線暴.我們的科學(xué)家就是通過(guò)這些現(xiàn)象再加以計(jì)算推斷就知道是不是黑洞了.許多黑洞的四周都環(huán)繞著一些天體，通過(guò)觀察這些天體的行為，可以推斷出黑洞的存在。然后，使用所猜測(cè)黑洞四周的天體運(yùn)動(dòng)測(cè)量值便可以計(jì)算黑洞質(zhì)量。

您要尋找的就是那些運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)似乎受到周圍巨大質(zhì)量影響的星體或氣盤。例如，倘若某個(gè)可見(jiàn)星體或氣盤在不穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，但又找不到附近有導(dǎo)致這種運(yùn)動(dòng)的可見(jiàn)原因。并且這種不明因素產(chǎn)生了某種效應(yīng)，而這種效應(yīng)似乎是由質(zhì)量比太陽(yáng)大三倍的天體（由于質(zhì)量太大而不可能是中子星）造成的。那么，這種運(yùn)動(dòng)就有可能是黑洞導(dǎo)致的。然后，可以通過(guò)觀測(cè)黑洞對(duì)可見(jiàn)天體產(chǎn)生的效應(yīng)來(lái)估算黑洞質(zhì)量。

例如，在星系NGC

4261的核心，有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的棕色螺旋形吸積盤。該吸積盤的大小與太陽(yáng)系相當(dāng)，但重量是太陽(yáng)的12億倍。既然存在質(zhì)量如此巨大的吸積盤，就暗示著它的內(nèi)部可能有一個(gè)黑洞。

五、黑洞質(zhì)量的計(jì)算

根根據(jù)史瓦西半徑，可計(jì)算出一個(gè)天體要維持形態(tài)的最小半徑，根據(jù)黑洞的半徑可反推算其質(zhì)量，Rs=2Gm/c^2

推導(dǎo)過(guò)程：

由

F=GmM/r^2

得知

r

越小

則F越大

而引力F

正比于

物體吸引落下速度V

且速度V最大值為c

求星體半徑臨界直(V=c之

r

臨界直)

;

即史瓦西半徑

由

F=ma=mg

得

GMm/r^2

=

mg

故

g

=

GM/r^2

由固定重力場(chǎng)位能得非固定重力場(chǎng)位能公式

a.將

E=mgh

代換成E=GMmh/r^2

且

h=r

故

E=GMm/r

表位能

b.列受星體吸引物質(zhì)之速度與位能對(duì)應(yīng)式

求得臨界半徑r(史瓦西半徑)

1/2

mv^2

=

GMm/r

做

洛倫茲

變換

1/2

mv^2/√(1-v^2/c^2)=

GMm/r√(1-v^2/c^2)

得到r

=

2GM/V^2

當(dāng)v=c

求r之臨界直

則全式可得

Rs

=

2GM/c^2

;

Rs為史瓦西半徑

;

左為史瓦西半徑公式

(G為引力常數(shù)

M為恒星質(zhì)量

c為光速)

如果僅從史瓦西半徑

看，所有半徑尺度和質(zhì)量大小的黑洞的存在都是可能的參考文獻(xiàn)：

《光學(xué)教程》姚啟鈞著

《時(shí)間簡(jiǎn)史》霍金著

《果殼中的宇宙》霍金著

《廣義相對(duì)論》愛(ài)因斯坦著

—

END

—