我对黑洞的认识.doc

我对黑洞的认识我们都知道逃逸速度。星体所产生的引力场（和星体的质量及密度有关）越大，从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到某个极限，使以光速运动的物体也不能挣脱它的 束缚而逃逸，那么我们将无法观察到这个星体，仅能感受到它的引力效应。这就是在200年前对 黑洞的最初定义。实际上，对于光不能象对待普通物体那样考虑，因为普通物体在上抛的过程中速度逐渐变慢 并最终落回地面，而光是以不变的速率前进的。因此必须以广义相对论的观点重新解释黑洞现象也就是：光由于强大的引力场造成的空间-时间扭曲，而被强烈地折弯并回到星体表面，不能从其表面逃逸。黑洞是一个空间-时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界称 为事件视界。它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能 够从里面出来！ 那么黑洞是如何形成的呢？让我们先从恒星的生命周期说起。宇宙早期的星云物质-绝大部分是氢的极其稀薄的气体-由于自身的引力作用而收缩成恒星。由于收缩过程中气体原子相互碰 撞的频率和速度越来越高，导致气体温度上升并最终使恒星发光。当温度如此之高，以致于氢原 子碰撞后不再离开而是聚合成氦，这被称为热核聚变。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压 力进一步升高，并达到足以平衡恒星内部引力的程度，于是恒星的收缩停止下来，并在相当长的 时间里稳定地燃烧。当恒星耗尽了这些氢之后，由于核反应的减弱而开始变冷，恒星气体的压力 不足以抵抗自身引力的而导致恒星重新开始收缩。恒星中的氦元素发生聚变形成碳或氧之类较重 的元素。但这一过程并没有释放太多的能量，恒星继续收缩。 诺贝尔奖得主，印度裔美籍科学家强德拉塞卡在1928年指出，由于泡利不相容原理（在同 一轨道不存在两个运动状态完全相同的粒子）的作用，当恒星进一步缩小时，物质粒子靠得非常 近并且必须严格地遵守不相容原理，因而粒子之间发散的趋势平衡了恒星自身的引力，使恒星不 再缩小。如果这个不相容原理引起的排斥力是电子间产生的，那么恒星将坍缩成为一颗半径为几 千英里，密度为每立方英寸几百吨的冷恒星-白矮星。科学家们已经观测到大量的白矮星。坍 缩的另一种形式为中子星-它上面的的电子早已被引力拉到质子上，因此这种恒星全部由中子 组成，并靠中子间不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以维持体形。它们的半径只有10英里 左右，密度为每立方英寸几亿吨。中子星同样已经为观测所证实。强德拉塞卡同时计算出，当恒星质量大于太阳质量的一倍半时，即使不相容原理也无法阻挡 恒星的继续坍缩，恒星将无休止的收缩，直至体积为零！此时的物质密度和空间-时间曲率将无 穷大。所有的科学定律将在此失效。这就是我们前面所提到的黑洞奇点。 事实上存在着这样一种情形：超过强德拉塞卡极限的恒星在耗尽自己的燃料时，它们可能会在被称为超新星爆发的巨大爆炸中抛出大量的物质，使自己降到极限质量之下从而避免坍缩。但这不可能总是发生，即使总是发生，那么如果将额外的物质加在白矮星或中子星上，结果又将 这样呢？科学家们感到震惊，他们无法相信这一理论并对它怀有敌意。他们纷纷撰文试图证明恒星 体积不会收缩到零，这其中也包括爱因斯坦。但是，史蒂芬霍金和罗杰彭罗斯于1965和1970年的研究指出，如果广义相对论正确的话 那么在黑洞中必然存在着无限大密度和空间-时间曲率的奇点。这个奇点和大爆炸类似，是一切 事件的终结之处，科学定律可预见性都将失效。我们用广义相对论来描述和理解一下黑洞。当恒星坍缩时，恒星发出的光波被强烈的红移。 当恒星收缩到它的临界半径时，它发出的引力场是如此之强，使得光波被散开到无限长的时间间 隔内。在黑洞外的观察者则会