論黑洞

摘要：黑洞（Black

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

黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應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)生的引力場極為強勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）內(nèi)，便再無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。

黑洞無法直接觀測，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測到它對其他事物的影響。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，可計算出一個天體要維持形態(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”這個名字，總是令人遐想聯(lián)翩。那么，究竟什么是“黑洞”呢？

這個名字的第一個字“黑”，表明它不會向外界發(fā)射或反射任何光線，也不會發(fā)射或反射其他形式的電磁波——無論是波長最長的無線電波還是波長最短的γ射線。因此人們無法看見它，它絕對是“黑”的。第二個字“洞”，說的是任何東西只要一進入它的邊界，就休想再溜出去了，它活像一個真正的“無底洞”。[3]

也許有人會想：假如我用一只超級巨大的探照燈對準黑洞照過去，像照妖鏡照住“妖怪”那樣，黑洞不就“現(xiàn)原形”了嗎？錯了！射向黑洞的光無論有多強，都會被黑洞全部“吞噬”，不會有一點反射。這個“無底洞”，照樣還是那么“黑”。把這種奇特的天體稱為“黑洞”，真是太妙了。黑洞并不是科學家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國科學家拉普拉斯就根據(jù)牛頓建立的力學理論推測：“一個直徑像地球、密度為太陽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我們這里?！?/p>

這話是什么意思呢？我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進入行星際空間，速度至少要達到11.2千米/秒，否則它就永遠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中“逃逸”出去所需的最低速度，稱為地球的“逃逸速度”。太陽的引力比地球引力強大得多，因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多，為618千米/秒。再進一步，要是一個天體的逃逸速度達到了光速，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，拉普拉斯所說的那個恒星便是生動的一例。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。

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

不過，事情也不是那么簡單。出乎人們意料，黑洞這個“怪物”，有時候竟然還十分“慷慨”。這又是怎么一回事呢？原來，在20世紀70年代，英國科學家霍金等人以量子力學為基礎(chǔ)，對黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會像“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“黑”的了?；艚疬€證明，每個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)。一個質(zhì)量像太陽那么大的黑洞，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?shù)男『诙?，竟然會在一秒鐘?nèi)就蒸發(fā)得干干凈凈！

二、黑洞的形成根據(jù)廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，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(天文學上叫“史瓦西半徑”)時，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的，當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經(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，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，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)展可以分為幾個時期，萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期以及現(xiàn)代光學時期。

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

在1801年楊氏通過著名的“楊氏雙縫干涉實驗”滿意地揭示了白光下薄膜顏色的由來。還第一次測定了光的波長。1815年菲尼耳補充了惠更斯原理。形成了人們熟知的惠更斯-菲尼耳原理，運用這個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，還能解釋光通過障礙物時發(fā)生的衍射現(xiàn)象。因此，它成為了波動光學的一個重要原理。

1900年普克郎引進量子概念后，解決了波動理論不能解釋的黑體輻射問題，并且得到了黑體輻射公式。他的理論開始突破經(jīng)典物理在圍觀的束縛。打開了認識光的微粒性的途徑。第一個完全肯定光除了波動性還有粒子性的是愛因斯坦在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在空間當中運動。即光以微粒的形式存在。因此，即使是光，也無法逃逸出黑洞。

四、黑洞的觀測

黑洞的確無法觀測到,但是黑洞引力產(chǎn)生的現(xiàn)象卻可以被科學家觀測到：（1）雙星吸積,即黑洞對周圍恒星的吸積現(xiàn)象是可以被觀測的.（2）黑洞接近無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有黑洞幫忙是永遠也看不到的.（3）黑洞吸積物質(zhì)會產(chǎn)生非常強大的X射線暴.我們的科學家就是通過這些現(xiàn)象再加以計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，使用所猜測黑洞四周的天體運動測量值便可以計算黑洞質(zhì)量。

您要尋找的就是那些運動表現(xiàn)似乎受到周圍巨大質(zhì)量影響的星體或氣盤。例如，倘若某個可見星體或氣盤在不穩(wěn)定地運動或旋轉(zhuǎn)，但又找不到附近有導致這種運動的可見原因。并且這種不明因素產(chǎn)生了某種效應，而這種效應似乎是由質(zhì)量比太陽大三倍的天體（由于質(zhì)量太大而不可能是中子星）造成的。那么，這種運動就有可能是黑洞導致的。然后，可以通過觀測黑洞對可見天體產(chǎn)生的效應來估算黑洞質(zhì)量。

例如，在星系NGC

4261的核心，有一個旋轉(zhuǎn)的棕色螺旋形吸積盤。該吸積盤的大小與太陽系相當，但重量是太陽的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)部可能有一個黑洞。

五、黑洞質(zhì)量的計算

根根據(jù)史瓦西半徑，可計算出一個天體要維持形態(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

推導過程：

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

由固定重力場位能得非固定重力場位能公式

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)之速度與位能對應式

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：

《光學教程》姚啟鈞著

《時間簡史》霍金著

《果殼中的宇宙》霍金著

《廣義相對論》愛因斯坦著

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END

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