关于对黑洞的理解

对于黑洞的理解 一、黑洞的起源与黑洞的形成 第一个提出黑洞思想的是18世纪的著名法国数学家拉普拉斯（P.S.Laplace，17941827）。我们都知道，当火箭速度超过某个“逃逸速度“时，它就能克服地球引力飞入外部空间去。任何物体的速度若小于此“逃逸速度”，就不可能飞出引力范围，1957年拉普拉斯根据牛顿的万有引力定律通过计算得出：当天体的质量非常大时，其引力将极其强大，如果其上的“逃逸速度”大于光速。则光也不可能从这样的天体上射到外部空间去。外部的观察者就看不到该天体上发出的光，因而认为该天体是“黑”的，这就是一个“牛顿黑洞”。1、黑洞的含义； 黑洞，广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。 2、黑洞的起源；两质子星22亿年前相撞，今年5月射线才到达地球。天文学家们成功地观测到了两个密度极大的质子星相撞后，诞生一个密度相对小的黑洞，星体相撞的地点距离地球220万光年，所以实际上相撞事件发生在22亿年前，而撞击产生的伽马射线直到今年5月9日才到达地球。这些伽马射线的余晖是在9日夜里被美国航空航天局X射线观测卫星、“褐雨燕”(Swift)发现的，“褐雨燕”卫星于2004年11月进入太空，其主要任务是通过观察宇宙伽马射线爆发探究黑洞的起源。 3、黑洞的形成；黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，在其强大引力的作用下，连光都无法逃逸。宇宙中已知的黑洞主要有超巨黑洞和小质量黑洞两类。 4、黑洞主要特征是：（1）这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；（2）它有很大的能量，可以发出极强的各类射电辐射；（3）由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。 二、黑洞的形成 如果恒星的质量超过奥本海默极限，则没有任何力量能够抵制住强大的引力，星体将塌缩到自身的引力半径之内，从而形成黑洞。从超新星爆发的角度来看，星体塌缩是一种非常猛烈的过程，爆炸崩掉恒星的外壳，同时产生指向星体中心的巨大压力，使星体的中心部分形成黑洞。除去恒星塌缩以外，形成黑洞还有其他途径。例如，在星系的中心聚集着亿万颗太阳和 别的物质，在演化过程中很可能发生物质收缩和恒星之间的碰撞，从而形成巨大质量的星级黑洞。三、霍金的黑洞理论 人们知道，在经典引力论的框架里，黑洞只能吞噬物质，而不能吐出物质。黑洞的表面(视界)犹如地狱的入口，是一个有去无返的单向膜。霍金曾经证明视界的面积是非减的。1974年霍金发表了黑洞在爆炸吗？一文。这是20世纪引力物理在爱因斯坦之后的最伟大论文。在论文中，他把量子理论效应引进了黑洞研究，证明了从黑洞视界附近会蒸发出各种粒子，这种粒子的谱犹如来自黑体的辐射。随之黑洞质量降低，温度就会升高，最终导致黑洞的爆炸。在这被称为霍金辐射的场景中，量子理论、引力理论和统计物理得到了完美的统一。黑洞理论是科学史上非常罕见的例子，它首先在数学形式上被详尽的研究，后来才在天文学的许多观测上证实了它的普遍存在。现在，人们的共识是，每个星系的中心都是一颗极其巨大的黑洞。 霍金在80年代初，创立了量子宇宙学的无边界学说。他认为，时空是有限而无界的，宇宙不但是自洽的，而且是自足的，它不需要上帝在宇宙初始时的第一推动。宇宙的演化甚至创生都单独地由物理定律所决定。这样就把上帝从宇宙的事物中完全摒除出去。上帝便成了无所事事的“造物主”，它再也无力去创造奇迹。亚里士多德、奥古斯丁、牛顿等人曾在宇宙中为上帝杜撰的那个关于“第一推动”的神话，完全是虚幻的。量子宇宙学的主要预言之一是关于宇宙结构的起源。若干年前，宇宙背景辐射探测者对太空背景温度起伏的观察证实了这个预言。 爱因斯坦创立的广义相对论被科学界公认为最美丽的科学理论。但是霍金和彭罗斯一道证明了广义相对论是不完备的。他们指出，如果广义相对论是普遍有效的，而宇宙间的物质分布满足非常一般的条件，那么宇宙时空中一定存在一些奇点。在奇点处经典物理的定律失效。人们通常谈论的奇点是宇宙产生元初的大爆炸奇点和黑洞中的奇点。爱因斯坦早先否认过奇点的存在，他甚至还写过论文以论证黑洞(那时还没有这个生动的称呼)的不可能性。霍金和彭罗斯的奇性定理表明了对引力的量子化是不可避免的。 对于奇性定理、黑洞面积定理、黑洞霍金辐射和无边界宇宙理论，一个人生前拥有其中的任何一项成就，就足以名垂不朽。而霍金却拥有了这些理论的全部。四、黑洞的内容设想如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。 根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外，所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射），当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象，因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射电辐射来证实它的存在 五、自然界是否存在黑洞“黑洞”是从预言产生的理论，如果不能证实其存在的真实性，理论就成了“无源之水”，关于黑洞存在的理论预言建立在以下几点根据上：（1）：自然界没有任何力量可以支撑质量为太阳质量3倍以上的“冷”物质（所谓“冷”物质是指停止核反应的物质）以常规方式存在（所谓的常规方式是指原子、分子形式存在的方式）。（2）：许多已经观测的热恒星的质量远远超过太阳质量3倍以上。（3）：科学家已经根据中子星的脉冲辐射观测到了中子星，随着时间的推移，中子星可以继续塌缩。（4）：大恒星消耗核燃料并且经历了阴历塌缩的时间一般为几百万年，而银河系已经有100亿的高龄，因而在银河系里产生黑洞的年龄条件是成熟的 。基于以上几点，我们可大胆而理智的预言黑洞的存在是真实的。六、黑洞的研究意义黑洞最初作为一种纯数学理论模型，在没有任何实验依据的情况下却在理论上发展到了几乎神乎其神的地步，这在科学史上是极为少见的。黑洞对物理学家具有如此神奇的魅力，这不仅仅是因为与宇宙起源和未来发展有着密切的关系，而且是因为它是关系到物理学基本理论未来发展的重要问题。自然界从来就没有永恒的事物，黑洞也是如此。从恒星坍缩成黑洞，到最终以大爆炸的方式消亡再产生新物质，黑洞在不断地演化着。按照黑洞理论，黑洞消亡时产生大爆炸的剧烈程度与自然界的基本粒子数目有关。如果我们能够观测到黑洞的爆炸，即使是间接地通过爆炸产生的高能射线，也将对基本粒子物理学产生最直接的影响。黑洞以大爆炸的方式消亡，这使人们再次联想到了宇宙的大爆炸理论。1965年美国物理学家罗杰彭罗斯指出：大质量恒星在自身引力下不断坍缩，最终将会出现体积趋于零，密度无限大的状态，这种状态称为“奇点”。对于奇点所有的物理定律已不成立。然而，奇点极有可能是创造新物质，新宇宙的起点，我们的宇宙或许就起源于奇