黑洞是个什么概念?

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黑洞是个什么概念?

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黑洞是个特定的物理概念
    物理学上说的黑洞，是个特定的概念。最早提出这个概念是在18世纪末叶。1795年，著名的法国数学家和天文学家拉普拉斯在一部专著中，根据牛顿万有引力定律提出，如果有一颗星球，密度与地球相同，但是直径比太阳大250倍，那么在这颗星球的表面，引力将大得使它所发出的光也不能离开它，因而从外面根本看不到它。在此之前12年，英国地质学家米歇尔也曾提出过类似的想法。
    120年后，爱因斯坦证明，在一个天体的引力场中，如果引力强大到能够把光都囚禁住，那么牛顿万有引力定律将不再适用，应该代之以一种新的理论，即广义相对论。另外，他还在狭义相对论中提出，任何物体的运动速度都不可能超过光速，因此，如果一个天体的引力强大到连光也不能离开它，那么，在任何情况下，任何物体也都不可能逃离这个天体。
    1爱因斯坦的引力理论在1915年以一个高等数学方程的形式给出。在爱因斯坦引力场方程发表的同一年，德国天文学家史瓦西把天体的形状取为最简单的球形，于12月获得了这个方程的解。
    爱因斯坦的广义相对论认为，引力是时空弯曲造成的。按照史瓦西的解，如果把一个天体的质量全部压缩到某一半径范围里，它周围的空间就会极度弯曲，使得引力强大到如拉普拉斯所说，任何物质和辐射都逃不出来。后来的人们把这一半径称为史瓦西半径。对于太阳质量，计算得到的史瓦西半径等于2.95千米；而对于地球质量，则为8.9毫米。
    按照史瓦西的解，在史瓦西半径范围内，空间和时间都丧失了原有的特征，所有用于测量距离和时间的规则都失效了，时间趋于无限，而距离变为0。英国天文学家艾丁顿就此说："这种奇异的时空世界是我们无法在其中进行任何测量的怪物。"1967年，美国天体物理学家惠勒首先把这种怪物称为"黑洞"。
    自然界中的黑洞
    1939 年，美国物理学家奥本海默等人运用广义相对论方程，计算一颗质量很大的恒星在它内部的热核反应停止以后将发生的事情。他们发现，在这种情况下，这颗恒星内部的物质会像自由落体一样向中心坍落，只要这颗恒星的质量足够大，它们将一直坍落到史瓦西半径之内，成为一个黑洞。在银河系历史上，这样的大质量恒星先后出现过不少，其中一部分应该已经变成黑洞。这样的黑洞称为"恒星质量黑洞"，天文学家已经获得许多这类黑洞的间接观测证据。
    除了上述恒星质量黑洞以外，天文学家在20世纪60年代初发现了一种天体，它们在望远镜里看起来只是一个亮点，与恒星没有什么两样，可是离开我们的距离达几十亿光年甚至更远。据此计算它们发射的能量，有的可以超过100个大星系的总和。它们所发射的能量，大部分来自于一个直径小于1光年的区域。这种天体被称为类星体，天文学家尚不能直接观测到类星体的中心究竟是什么，但按照理论模型，类星体很可能是正在形成中的星系的核心，它的中心处应该是一个超大质量黑洞。
    现在，天文学家认为，每一个星系都是在一个超大质量黑洞的周围建立起来的。天文学家已经取得了比过去任何时候更强有力的证据，他们根据一个星系内恒星绕星系中心旋转的速度，可以推断出这个星系中心天体的质量。对于包括银河系在内的一些星系，已经测量出在它们中心只有太阳和地球间距离几倍大的空间中，集中了几百万、上千万倍太阳的质量，从而表明了在这一空间中物质的密度极高，只可能是一个黑洞。这种超大质量黑洞不是单颗恒星内部的物质坍落形成的，而是星系形成过程的产物。
    黑洞与周围物质的相互作用
    黑洞本身不发光，但是它的强大引力场会与周围的物质相互发生作用，使得这些物质以极快的速度向黑洞坠落，获得能量从而温度升得极高，并且压缩到很高的密度。这些高温、高密度的物质，会发射出强大的紫外光和X射线。
    黑洞周围的物质向黑洞坠落时，不是循直线下落，而是漩涡式下落。其结果，这些物质在黑洞周围形成一个薄圆盘，称为吸积盘。吸积盘内侧物质的运动速度可接近光速，部分物质不会落入黑洞，会沿着与吸积盘的盘面垂直的轴线方向逃逸出去，形成喷流。这种速度接近光速的喷流可以喷射到几百以至几千光年远，天文学家已经在许多类星体和星系的核心附近观测到这种喷流产生的痕迹。
    吸积盘中的物质，当然有很大一部分，最终落进了黑洞，黑洞因此会慢慢长大。黑洞吞噬周围物质的能力与黑洞本身的大小有关。黑洞质量越大，它的引力场就越强大，一方面在同样时间内能吞噬更多的物质，同时也能够吞噬更远距离的物质。
    物质一旦掉进黑洞里面，就再也不可能逃逸出来了。然而，1975年，英国物理学家霍金经过计算发现，黑洞会缓慢地蒸发。黑洞的这种蒸发现象称为霍金辐射。霍金辐射会带走黑洞的能量。按照爱因斯坦的理论，能量和质量是等价的，它们可以互相转化。随着时间流逝，黑洞的质量越来越多地转化成能量蒸发掉，最终黑洞将会消失。
    黑洞蒸发的速度也与黑洞的质量有关，质量越小的黑洞，蒸发越快。很明显，如果黑洞很小，吞噬周围物质的能力很弱，而且在足够近的距离内没有足够多的物质供它吞噬从而让它足够迅速地长大，那么它很快就会消失。
    在实验室里制造黑洞
    据英国《卫报》今年3月18日报道，美国布朗大学物理教授霍拉蒂·纳斯塔西通过实验在地球上制造出了一个人造黑洞。其实，这一报道有些不太准确。据查，纳斯塔西教授制造的并不是真正的黑洞，用他自己的话说，仅仅是"黑洞的相似物"。
    那么，我们能不能在实验室里制造黑洞呢？
    不论在实验室里，还是在理论上，目前还找不到一种方法，能够使物质的密度变得像黑洞那样高。可是，根据爱因斯坦能量等价于物质的理论，当大量的能量集中于一点时，也应该会出现黑洞。科学家要在实验室里制造黑洞，只能循着这一途径。
    目前正在日内瓦欧洲原子核研究中心建造的大型强子对撞机，将在2007年开始运行。这将是世界上最强大的粒子加速器，它能以14万亿电子伏的撞击能量把质子打碎。这么强大的能量是不是已经足以生成一个哪怕非常微小的黑洞了呢？
    很遗憾，按照我们原有的关于粒子以及粒子相互作用的知识，以这种方式制造一个黑洞的最小能量，是上述大型强子对撞机所能产生的能量的1亿亿倍。建造一个能够达到这么高能量的粒子加速器的可能性实际上永远为零。
    可是在过去几年中，在实验室中制造黑洞的前景已经有所改观。这得归功于如像"弦论"这样的新的引力理论。新的理论认为引力实际上远比我们所想的强大。对于日常生活来说，只有在质量非常大的情况下，引力才变得不可忽视。引力为什么这样微弱？这让物理学家感到困惑。有些物理学家认为，这是因为我们所处的空间除了我们日常生活的三个维度之外，还存在不可见的额外维度，引力泄漏进了这些额外的维度。我们的宇宙和加速器中的粒子处在三维空间中，就像是处在一个肥皂泡表面的尘埃微粒。
    如果这种想法是正确的，那么当把引力应用于非常小的距离，以致引力根本没有可能向其他维度泄漏时，它应该远为强大。如果能把足够多的能量挤压在一千亿分之一纳米的空间中，就足以能产生一个黑洞。这种微型的黑洞，会由于霍金辐射而在十亿亿分之一纳秒内蒸发。
    如果上述这些理论上的想法是正确的，那么大型强子对撞机所产生的强大能量也许已经足以每秒钟生成若干个微型黑洞。这种微型黑洞质量不会超过几微克，比尘埃微粒还轻。
    剩下的问题是如何检测这种微型黑洞。西班牙一个研究小组的计算表明，这种微型黑洞产生的霍金辐射大部分应该呈现为粒子，能够检测得到。如果他们的计算是正确的，那么大型强子对撞机就能够第一次用实验证明黑洞的存在和来自黑洞的霍金辐射。
    当然，这还仅仅是一种理论上的可能性，是否真的能实现，有赖于所依据的理论即弦论的正确性。弦论本身还是一种有争议的理论，如果人造黑洞真能制造成功，对于弦论来说也将是一种实验证明。
    这样的黑洞，质量那样微小，大小只有一千亿分之一纳米，寿命只有十亿亿分之一纳秒，当然根本不可能把地球吞噬掉。因此，一些媒体在纳斯塔西教授制造出黑洞的类似物之后渲染的人造黑洞毁灭地球的可能性，不过是又一个杞人忧天的例子。

吹毛成仙

黑洞是由德国数学家卡尔·史瓦西首次计算出来的，在黑洞周围任何东西无论是信号、光还是物质都无法逃逸，时空在这里成为了一个无底洞，这么一个看不到摸不到也探测不到的地方就叫黑洞。
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黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。

  因为黑洞是不可见的，所以有人一直置疑，黑洞是否真的存在。如果真的存在，它们到底在哪里？

  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量的作用下迅速地收缩，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球。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。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样

  为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

  让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。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（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但我们可以尽力去想象）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

  爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。

  同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

  如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

  现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

  现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

  我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。

处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。1969年，美国物理学家约翰阿提惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。

  我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞，也就是说，黑洞可能并没有想象中那样黑。
  霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。

  霍金还指出，黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸，一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言，看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。

  所以，引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”，它实际上还发散出大量的光子。

  根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。

  但你不要满怀期望地抬起头，以为会看到一场烟花表演。事实上，黑洞爆炸后，释放的能量非常大，很有可能对身体是有害的。而且，能量释放的时间也非常长，有的会超过100亿至200亿年，比我们宇宙的历史还长，而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间。
参考资料：http://www.wlzgh.nease.net/xz/xdwl/hdssm.htm

zorapoon

黑洞 ，黑，表明它不会向外界发射或反射任何光线电磁波。洞，说的是任何东西，只要一进入它的边界，就休想再溜出去......
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yzhanping

●黑洞
black hole

   广义相对论所预言的一种天体。一个质量比太阳大8倍以上的恒星，一般经过超新星爆发留下超过二、三个太阳质量的核，将没有任何力能阻止它继续坍缩。当它的半径小于引力半径rg＝2GM／c2（G为万有引力常数，c为光速，M为天体的质量）时，没有任何物质或辐射能够逃逸出来，成为黑洞。黑洞的性质由三个参量来表征，即质量M、角动量J和电荷Q。当J＝Q＝0时，它是球对称的史瓦西黑洞；当Q＝0时，则为轴对称的克尔黑洞。黑洞的性质决定了探测黑洞的困难性。如果向黑洞下落的气体具有较大的角动量，则应绕着黑洞在轨道上旋转，形成一个气盘。气盘中相邻层之间因气体的粘滞性引起的摩擦产生了热能，理论计算表明，气盘应具有很高温度，在X射线波段产生辐射。另一方面，黑洞的质量应大于中子星的质量上限，能够精确确定质量的是双星系统。因此，最有希望找到黑洞的是大质量X射线双星，尤其是天鹅座X-1。这是一个X射线变源，它有一个光学对应体，从这个9等超巨星的光谱得到视向速度的周期性变化，暗示一个不可见伴星的存在。进一步算出它的质量大于4太阳质量，很可能是8太阳质量，大于中子星的上限2～3太阳质量；另一个有希望的黑洞候选者是大麦哲伦云X-3，它也是一个X射线双星，其中不可见天体的质量也是8太阳质量。