现代科学技术论文--揭开黑洞神秘的面纱.doc

揭开黑洞神秘的面纱摘 要：宇宙中有一片黑暗的深渊，可以吸收一切靠近它的物体，连光都逃脱不出来，它就是黑洞。黑洞是大质量恒星演变到最后阶段的产物，由于其超强的引力，其周围的时空结构不断沦陷。它是宇宙中一处最具神秘色彩的地方，在黑洞的中心，现有的物理规律统统崩溃，科学也会失效。关键词：黑洞 神秘 广义相对论 恒星演变的产物宇宙中有一种引力场很强的天体，就连光也不能逃脱出来，它就是黑洞。黑洞并不是宇宙中的大窟窿，而是恒星演变到最后阶段的结果。等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。然而宇宙中真的存在这么特殊这么神秘的天体吗？或者只是某些科学家闲来没事做的臆想猜测？黑洞可能是宇宙中最神秘的地方，自从黑洞理论提出以来，爱因斯坦和霍金都肯定了黑洞的存在，绝大多数科学家都致力于寻找黑洞确切存在的证据来完善黑洞理论。黑洞是个星体，是恒星演变的结果。当恒星灭亡时，核聚变反应将会停止，因为此时用于反应的燃料已消耗殆尽。同时，恒星的引力将会向内吸引物质，不断压缩核心。核心受到压缩时将会发热，最终导致超新星爆炸，使物质和放射物在太空四散开去，只留下一个高度压缩、质量极大的核心。 这个核心的引力超强，密度极大，靠近它的物体都被它的引力所约束。对于地球来说，以第二宇宙速度来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，光速已经是极限速度了。所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。也就是因为其不让任何其边界以内的任何事物被外界看见的特点，所以被称为黑洞。要说黑洞是恒星演变的结果，可能很少人会相信，因为与别的天体相比，黑洞是实在是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义 相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。在经过大密度的天体时，四维空间会弯曲。光会掉到这样的陷阱里。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。根据广义相对论，黑洞有两种类型。一种是不会旋转的史瓦西黑洞，一种是会旋转的克尔黑洞。其中史瓦西黑洞是最简单的黑洞，其核心不会旋转。这种类型的黑洞只包括一个奇点和一个视界。 克尔黑洞大概是自然界最常见的黑洞，根据角动量守恒定律，由于形成该黑洞的恒星是旋转的，因此它也在不断旋转。旋转恒星坍塌后，核心仍保持旋转，从而带动黑洞旋转。自然界中最常见的黑洞是克尔黑洞，克尔黑洞由以下四个部分组成：一，奇点坍塌的核心；二，视界洞口；三，能层视界四周扭曲空间中的蛋形区域（扭曲是由于黑洞旋转导致的，它在旋转时会“拖曳”周边空间。）四，静态极限能层与正常空间之间的分界线。物体进入能层后，仍可以借助黑洞旋转获得能量，从黑洞中逃逸出来。 但是，一旦跨入视界，它就会被吸到黑洞中，再也没有机会逃脱。黑洞中发生的一切都是未知的；在奇点邻近，目前的物理学理论是不适用的。显然，黑洞的理论已经超越了物理学的理解范围。其内的种种神秘不断地吸引着现代学者为其痴迷。虽然我们不能直接观测到黑洞的存在，但是我们可以根据黑洞周围其他天体的运动来准确测量黑洞的质量。如果黑洞有一个伴侣的话，便可以测量此物质围绕隐形黑洞的旋转半径或轨道飞行速度。然后，使用开普勒行星运动第三修正定律或旋转运动的有关定律，计算出黑洞的质量。黑洞的视界仍然是比较容易理解的部分，然而奇点却是不可思异的。引力在那里变得无穷大，已知物理规律在那里全部失效。根据目前物理学家对于引力的理解(即爱因斯坦的广义相对论)，一颗大质量恒星在坍缩过程中必然产生奇点。广义相对论并没有考虑对微观物体十分重要的量子效应，这些效应大概会在关键时刻发挥作用，阻止引力强度真正变成无穷大。不过物理学家仍在排除万难，努力发展解释奇点所需的量子引力理论。相比之下，发生在奇点周围时空区域中的现象似乎应当更容易理解。恒星坍缩形成的事件视界直径可达好几千米，远远大于量子效应发挥作用的典型尺度。假设自然界中不存在新的作用力来插手此事，事件视界就应该完全由一种理论来支配这就是基本原理早已被了解透彻，并且经受住了90多年观测检验的广义相对论。据科学家发现，距地球8000光年左右的天鹅座X-1双星系统发射出大量的X射线，因此科学家推断这个双星系统中较为致密的那颗是一个黑洞。而对银河系中心附近的28颗恒星的运动轨迹的研究也显示，那里存在着一个中心质量为太阳四百万倍的大型黑洞。这样的状况容易让人担心，既然黑洞这么厉害，那么它会不会有一天把太阳和地球全都吞噬掉呢？好在太阳系距离银河系中心非常遥远，而且又随着银河系众成员一起围绕中心旋转，产生的离心力可以抵消黑洞的引力，使我们暂时不需要杞人忧天。 然而黑洞不可思异的奇点，还在科学的理解范围之外，那么随着黑洞吸入的东西越来越多，其势力会不会越来越壮大？那么黑洞能吸进整个宇宙吗？在原则上没有什么东西可以充满黑洞，但是我们的宇宙正在飞速地扩张。科学家发现其他河外星系都在移动，而且越到将来，它们移动的速度越快。如上所述，在银河系中心有一个大的黑洞，这个黑洞没有足够大的能量来停止扩张，宇宙本身也没有足够大的能量停止扩张。最终宇宙扩张到极限而再回转是可能的。有许多天文学家及理论物理学家相信这种现象将会发生。如果是那样，宇宙本身就是一个黑洞，它本身被吸入，然后再回到所有黑洞内部最终的奇点。如果一件东西不慎落入黑洞的中心，物理学家相信也许它不会丢失，它很可能过黑洞落入另一个宇宙，这就是虫洞。例如，两点之间最短的距离是直线，这是我们在小学就学到的知识。然而，物理学家认为这个结论不正确，因为一条直线不是两点间最短的距离。我们能在多维空间将纸弯曲，让两点彼此接触，所以虫洞是捷径，是最短的距离。通过多维空间的捷径，通过第三维，允许我们取巨大的距离，也许在一段时间内来回移动第四维，进行一次奇妙的时间旅行，这看起来不可思议，要能实现，可能要依赖黑洞的帮助。根据爱因斯坦的相对论，物理学家假设一个黑洞有两个末端，两个末端在时空的不同地区开始，直到20世纪80年代。这些隧道被看作为科幻作家的想象，科学家则排斥时间旅行的可能性。自1915年爱因斯坦在广义相对论中预言了黑洞的存在后，黑洞就激发了人们的无穷想象。黑洞就像是宇宙中黑暗的深渊，是一块连科学定律都失效的黑暗世界，由于科学家预言中的黑洞的种种神奇色彩让黑洞戴上了一面神秘的面纱，黑洞无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一，揭开黑洞的面纱也如古人幻想奔月一般是让无数的现代学者为之痴迷的梦想。 参考文献：1. 腾讯网黑洞探秘2. 博闻网3. 洪恩在线网4. 宇宙 探秘网5. 黑洞之旅 希瑟 奈尔 科学普及出版社2003年3月1日第1版6.