学年论文-黑洞的存在形成和结构的初探

PAGEPAGE7黑洞的存在形成和结构的初探摘要黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。根据牛顿力学能量理论和相对论证明了黑洞的存在，同时通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在；黑洞有可能是由三种途径形成的。黑洞的结构是由奇点、振荡层、辐射层组成。关键词：黑洞；史瓦西半径；结构一、黑洞的存在形成过程黑洞在现在人看来已经不是什么新名词了，但是黑洞是什么？黑洞是否存在？对于这个问题，许多人可能都不能回答。下面我们介绍一下黑洞：黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径（下面有介绍）小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。从万有引力定律可以知道，把一个物体从星球表面抛射到宇宙空间，需要有足够大的抛射速度。对于小质量的星体，这个速度不大。例如，对于火星的卫星火卫一，抛射速度只需5m/s。对于月亮，需要2.4km/s。对于地球、密度越大的星球，物体从它表面逃离所需的速度就越大，当星球的密度大到一定程度，以至于逃离速度大于光速时，光子就不能再从星球表面逃离。它们会被星球的万有引力拉回去，远方的观测者也就不可能看见这颗星了。从牛顿力学的能量理论很容易算出这类暗星的形成条件。设光子质量为m，光速为c，星球的质量和半径分别为M和r。按照牛顿理论，从星球表面射出的光子的能量为=势能为=当它的动能小于势能时光子不可能逃离星球。从上式可以算出暗星形成的条件r（1）这就是说，当一个星球的质量和半径之间满足上述关系时，这个星球发射的光将被万有引力拉回去，这颗星将成为一颗看不见的暗星。（1）式就是拉普拉斯等人给出的暗星条件。然而几年后，光的干涉和衍射现象被发现，光的波动说战胜了微粒说。拉普拉斯等人在微粒说基础上得出的上述结论，不再被学术界重视，逐渐被人们淡忘了。有趣的是，今天从广义相对论得出的黑洞条件，与当年拉普拉斯等人从牛顿理论给出的暗星条件完全相同。从今天的眼光看，上面的推导犯了两个错误，第一是把光子的动能写成了，第二是把广义相对论的时空弯曲当成了万有引力。这个错误互相抵消，最终却得到了正确的结论。由于广义相对论给出的黑洞条件的推导过程很复杂，这里就不多说了，有兴趣的可以看看。史瓦西半径是卡尔·史瓦西（KarlSchwarzschild、也有翻译做卡尔·史瓦兹旭尔得）于1915年针对广义相对论方程关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。下面我们给出史瓦西半径的公式的导出过程：史瓦西半径的公式，其实是从物件逃逸速度的公式衍生而来。它将物件的逃逸速度设为光速，配合万有引力常数及天体质量，便能得出其史瓦西半径。Rs=2Gm/推导过程：由F=GmM/得知r越小则F越大而引力F正比于物体吸引落下速度V且速度V最大值为C求星体半径临界直(V=C之r临界直);即史瓦西半径由F=ma=mg得GMm/=mg故g=GM/由固定重力场位能得非固定重力场位能公式a.将E=mgh代换成E=GMmh/且h=r故E=GMm/r表位能b.列受星体吸引物质之速度与位能对应式求得临界半径r(史瓦西半径)m=GMm/r做劳伦兹变换m/=GMm/r得到r=2GM/当v=c求r之临界直则全式可得Rs=2GM/;Rs为史瓦西半径;左为史瓦西半径公式(G为引力常数M为恒星质量C为光速)事实上，牛顿力学及广义相对论能导出相同结果，纯粹是巧合而已。对于太阳史瓦西半径是2.9公里；对于地球,它等于0.88厘米.史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可以掉进这样一个黑洞但没东西能够逃出来.以上都是理论上证明黑洞的存在，但是黑洞在现实生活中是否真的存在，我们又怎么样才能观测到这个“看不见的黑洞”呢？有一种情况下的黑洞比较好观测的，那就是双星里的黑洞.

双星就是两颗互相饶着转的恒星.虽然我们看不见黑洞，但却能从那颗看的见的恒星的运动路线分析出来.这是什么道理呢?因为,双星中的每一个星都是沿着椭圆形路线运动的,而单颗的恒星不是这样运动。如果我们看到天空中有颗恒星在沿椭圆形路线运动,却看不到它的'同伴',那就值得仔细研究了。我们可以把那颗星走的椭圆的大小，走完一圈用的时间，都测量出来.有了这些，就可以算出来那个看不见的'同伴'的质量有多大。如果算出来质量很大，超过中子星能有的质量，那就可以进一步证明它是个黑洞了。在天鹅星座，有一对双星，名叫天鹅座X-1.这对双星中，一颗是看的见的亮星,另一颗却看不见.根据那可亮星的运动路线.可以算出来它的'同伴'的质量很大,至少有太阳质量的五倍.这么大的质量是任何中子星都不可能有的.当然，除这些以外还有别的证据。所以,基本上可以肯定，天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞.这是人类找到的第一个黑洞。其它情况呢？虽然黑洞不可能通过来自事件视界以内的辐射来检验，但是黑洞仍然对其周围有引力影响，根据这种影响可以推断黑洞的存在。这种弯曲原则上是可以检验的，例如，通过外部光线穿过变形的空间区域。（a）（b）图（a）：引力物质产生的时空弯曲的示意图；图（b）：黑洞形成的弯曲。即使黑洞看不到，由它产生的时空弯曲原则上是可以测量的。通过这种测量，可以验证黑洞的存在。如果这样一个天体碰巧在绕一颗普通恒星的轨道上，它将剥夺伴星的物质，形成一个由向黑洞汇集的热物质构成的吸积盘。吸积盘中的温度可以升至极高，以致它能辐射X射线。所以我们可以通过它周围的辐射来观测黑洞。二、黑洞的形成1、某些演化晚期的恒星可能是黑洞的候选体恒星的演化通过一系列的核燃烧过程，首先是氢聚变成氦，然后氦聚变为碳、氧、氛，氖再聚变为镁、硅、硫．最后镁、硅和硫聚变为铁族元素。大质量的恒星损失掉多余的物质，或者平缓地剩下一个白矮星残核，或者出现灾变性的爆发、剩下一个中子星残核。然而，在有些情况下，当残核超过了中子星可能具有的最大质量时，残核将坍缩为一个黑洞。2、星团的塌缩可能形成黑洞的这种方式比起第一种力犬更抽象一些。银河系的中心区域，恒星密布。在银河系内的其它地方，也有许多稠密的星团。随着时间的推移，星团的动力学演化使星团中心区变得越来越凝缩。在银河的中心或是在非常稠密的星团内，这一演化可以达到这样一个阶段：这时，恒星之间的碰撞变得非常重要，终于导致许多恒星爆发从而形成一个单独的超巨质量天体。然后这个天体经受到力塌缩形成黑洞。如果这个过程发生在一个银河系的巾心，人们就能预言它将产生一个黑洞，其质量介于10万()~l0亿()个太阳的质量之间。在密集的星团中心，还会产生一些较小的黑洞。3、原生黑洞与前两种相比，这种可能性在很大程度上更是一种推测。在宇宙的初创时期，物质的密度极高。在这个阶段，密度的不均匀性，可能已经导致了黑洞的形成。换言之，如果在某一区域内物质的密度增大，那么在该区域内，物质不是随着宇宙的静止而膨胀，而是发生引力场踏缩形成黑洞。根据密度不均匀性质，这样的原生黑洞几乎可以有任何质量。尤其是特别小的黑洞——比太阳质量小得多一就是以这种方式形成的。在近代的宇宙中不可能形成这样的黑洞，因为上述第一、二种过程都不能产生质量非常小的黑洞。极小质量的原生黑洞，由于其体积也持别小，在宇宙演化期间，不可能吸积很多物质，因此在现阶段仍保持这样的小体积。如果这种黑洞与地球相撞，它将笔直穿过地球，而所吸收的物质微乎其微。但是它的引力场将在大气层中引起强大的冲击波。这使人们联想到1908年发生芥：西伯利亚的通占斯“陨石”事件(Tungu5ka“m6teorDevcnL)可能要由一个小黑洞负赏，这种推测一度在新闻媒介中广泛报道过。在这次事件中，许多平方英里的树木被击倒，但是却没有找到陨石坑。不过这种与个黑洞有关的解释，同许多别的说法一样，令人难以置信。即使产生了小的原生黑洞，它们在宇宙中也还没有多到足以使其中一个与地球相撞的程度。黑洞存在并已经根据以上的理论发现了黑洞，而黑洞的形成可能不是单方面的，也可能是可以通过多种途径来形成的。就像通往成功的道路不止一条，但最终的结果都是一样的。三、黑洞结构的初探1.黑洞的温度一个黑洞犹如一个具有温度(Ｔ)的热体一样发射辐射，其温度只与它的质量有关，更精确地讲，此温度由下式给出：Ｔ＝HC3/8πκGｍ在此式中符号(C)是光速，(H)是普朗克常数,(G)是牛顿引力常数,(κ)是玻尔兹曼常数,(ｍ)是黑洞质量。这样可以推出黑洞越小，其温度越高，一个具有几倍太阳质量的黑洞只具有一千万分之一度的绝对温度。这比充满宇宙的微波辐射的温度(大约2.7K)要低得多。温度是物体中粒子剧烈运动的一种表现，在量子理论中，粒子振动的最大值约为0.645*Ｃ，所以温度在量子理论中的最高值Ｔ为：μ＝ａ*Ｔ４μ为能量密度；ａ是常数为7.56*10-16J(M3*K)，由质能方程E=m*C2，质量密度ρ为2.29*1017kg/m3得：T4=6.6*1048，T=2.57*1012K超过这一温度时，粒子的能量增加,克服它们之间的作用力开始合并，形成中间无间隙、粒子间绝对接近的物质。同时将巨大的能量瞬间抛出，粒子不再运动此时温度下降到绝对零度。2.黑洞的结构广义相对论认为，10个太阳质量的星体坍缩成黑洞，其中心是约10-33cm大小的奇点。奇点就是一种粒子间无间隙、绝对接近的物质。在奇点的次外层是振荡层，只所以称之为振荡层，是因为当物质落入黑洞与奇点碰撞时，奇点会无损失的、以光速将能量传递到奇点表面，使表面的奇粒(奇点的特殊组成粒子)振荡离开表面，而后在引力作用下又回到奇点的表面，通过奇点将能量传递出去。在振荡层中奇粒做的都是半单摆运动。奇粒之间的相撞将能量辐射到远离奇点的外层——辐射层，这一层不断吸收振荡层和其他天体的能量，同时也发出辐射，当能量达到一定数值时，粒子合并进入奇点成为它的一部分。由于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，这是不能用光来探测其的原因。由于黑洞是一个引力极强的天体，拥有超大的质量。我们可以假设黑洞的内部结构，我想黑洞在那个奇点是时间和空间的无限大，同时也是引力和质量的无限大。这看上去好像很矛盾，其实不然，就像是在空间中某一点，那里空间和质量打结了，而时间却总是一直停住。但是，霍金证明了，黑洞并不是只会吞噬东西，而是也会向外发射粒子，他的证明过程在这里就不说了。我想，既然黑洞会向外发射粒子，由于黑洞相对于哪个方面来说都是一样的，这也说明了，黑洞向外发射粒子是全方向的。所以在振荡区有粒子向外发射的。黑洞就像我们生活的宇宙吗？宇宙里所有的星系加起来可能有100，000，000，000个，我们假定它们都塌缩成一个黑洞。这个黑洞包括了宇宙里所有的物质，它的直径将是10，000，000，000光年，而它的密度则相当于一种极其稀薄的气体的密度。然而，不管这种气体是多么稀薄，从结构上说它总算是一个黑洞。我们假设，宇宙的全部质量是天文学家估计的2．5倍。在这种情况下，这个质量形成的黑洞的直径就是25，000，000，000光年，这正好和我们居住的这个宇宙的直径(就我们所知而言)差不多。这样，整个宇宙本身就很可能是一个黑洞(就象物理学家桑思所假设的那样)。黑洞是不仅存在在我们的宇宙中，而且它的观测是用间接手段的，在宇宙的中它可能是由三种途径来形成的。由于它的引力之强大，我们很难靠近它，它的结构只能在发现的形象中猜测。黑洞又一次证明了霍尔丹论述的正确论“宇宙不仅比我们想像的更为奇妙，它比我