黑洞知识小问答(上)

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空少问答

小课堂

第113期

4

月

13

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周

六

黑洞知识小问答（上）

最近几天，人类史上首张黑洞照片公布，一时间刷爆了朋友圈。

有些朋友看了新闻报道，可能对里面的一些过程不算非常明白。相信比起我们空少课堂一贯的“从新闻引申一个话题”，许多朋友更希望对这个新消息以及黑洞的相关知识有更广泛的认识，所以我们抽出一期空少课堂的时间，用非常简短的篇幅简单讲解一些黑洞基本知识。

为了方便大家看，就直接采用一问一答的形式，没有分成提问和解答篇，也不做深入讨论。今天是上期，我们简单聊几条，下周一空少课堂解答篇的时间，我们再聊另外几条。



人类史上首张黑洞照片（来源：NASA，https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/blackhole.png）



1、广义相对论

人们都说黑洞是从广义相对论推出来的，那广义相对论讲的是啥？

一言以蔽之，广义相对论是说物理定律的形式在一切参考系都是不变的。这使得我们能够相信自己所使用的物理定律在遥远的宇宙也照样行得通。爱因斯坦在狭义相对论中论证了从光速不变以及惯性系下物理定律不变引申到时空变换的规律，而在广义相对论就从加速度与引力公式之间的相似性引向引力和惯性力是等效的，从而得到质量（引力）能够弯曲时空的结论。

2、光线弯曲

黑洞的光怎么那么难找，光不都是走直线的么？

按照广义相对论，在引力场中，时空的性质是由物体的“质量”分布决定的，物体“质量”的分布状况使时空性质变得不均匀，引起了时空的弯曲。物质密度越大的地方，曲率也就越大，而光要沿着弯曲的时空“直线前进”，在我们看来就好像光被大质量物体的引力吸引的弯曲了。

3、时空曲率

曲率指的是曲线在某一点的弯曲程度的数值，曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。时空曲率就是描述物体周围时空被引力弯曲的程度。如果能够得知物体所处处时空的曲率，物体的运动轨迹也就可以计算出来；也就是说,物体运动得遵循曲率的指示。



时空曲率示意图（来源：https://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/09/Spacetime_curvature）

4、黑洞

这就是我们今天聊的故事的主角。

有两种理解方式：

一、光线弯曲就好像光的粒子（光子）被引力吸引、改变速度方向一样，那要是有一个质量超级大、引力超级大的东西，让光也会回头、离不开它的范围呢？这就是黑洞。我们常听说的“光也无法摆脱黑洞的引力”就是指的这种。

二、只要天体质量足够大，周围空间弯曲够厉害，最后把一个区域“圈起来”了，这里边的光沿着弯曲的时空跑不出去，这个区域就是黑洞。所谓逃逸速度是达到该速度时能脱离天体的引力，所以黑洞的逃逸速度达到了光速。

5、事件视界

既然宇宙中速度最快的光都不能从黑洞的引力范围内跑出去，那么其他物体应该也不能。事件视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在空间中周围存在的这个界面，一旦进入它，即使光也无法逃脱，它就划定了黑洞的范围。

任何事件发生时，处在“他处”的人和物是不受影响的，直到信息到达其位置——最快也不过光速——他们才受影响、才算进入事件的“将来”。黑洞之所以神秘，就是它的事件影响被圈定在视界内。