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黑洞之最

最小的黑洞:“XTEJ1650-500”是3.8个太阳质量的黑洞。
最大的黑洞:潜伏在OJ287类星体中心的黑洞,质量是180亿个太阳。
最年轻黑洞:1979年,超新星SN1979C爆发时形成的黑洞,是所观测到的最年轻黑洞。

黑洞简介

  黑洞是根据现代广义相对论(GR)所预言,在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星(25倍太阳质量以上)在核聚变反应的燃料耗尽死亡后,核心物质发生引力坍缩而形成。黑洞的引力场是如此之强、引力势阱是如此之深,就连光也逃逸不出来。
如果地球变成黑洞,那么其体积只有核桃大小。

网友调查

在你的印象里黑洞是什么?

黑洞的历史

早期黑洞的概念
黑洞概念的起源要回溯到1783年,虽然那得黑洞概念与我们如今所说的黑洞其实没太大的关系。英国地质学家米歇尔(John Michell)利用牛顿万有引力定律和光的微粒说得到了一个推论,如果一颗直径比太阳大几百倍,密度与太阳一样的星球,物体在它表面的逃逸速度将会超过光速C。这意味着该星球对远方观测者来说将成为一颗“暗星”(dark star),因为作为微粒的光将无法从它表面逃逸到远方就被引力拉了回来。不久之后(1796年)法国数学家拉普拉斯 (Pierre-Simon Laplace)在其著作《世界体系》中也提出了类似的推论。这个在今天看来只有中学水平的推论,就是黑洞概念的萌芽。但是,真正现代意义上黑洞概念的起源是在爱因斯坦发表“广义相对论”之后的事情。
现代物理学中的黑洞
1916年,在“广义相对论”刚刚提出后,德国数学家、天文学家史瓦西(K.Schwarzschild)就求得了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西外部解或史瓦西度规。从这个解中,我们可以得到很多推论,比方说如果把太阳压缩成一个半径不到3公里的球体,外部观测者就将再也无法看到阳光,这就是一种现代意义下的黑洞——史瓦西黑洞。
与米歇尔和拉普拉斯的“暗星”不同,现代意义下的黑洞具有很丰富的物理内涵,并且不依赖于象光的微粒说那样的前提。1939年,“原子弹之父”奥本海默(J.R.Oppenheimer)及其合作者从广义相对论出发,再次预言了黑洞的存在。1963年,克尔(R.P.Kerr)得到了场方程的另一个重要的解:稳态轴对称真空解。该解比史瓦西解更为复杂、普遍,含有更多的物理信息,可以描述转动星体外部时空的情况,为黑洞的研究提供了很好的理论模型。
后来英国理论物理学家霍金和英国数学物理学家彭罗斯提出了“奇性定理”,论证了一旦坍缩物质的质量超过一定界限,就会不可避免的坍缩成为一个黑洞,物质最终都会落向一个密度无穷大的“奇点”。1974年,霍金根据热力学定律和量子场论提出了“霍金辐射”的概念,打破了过去人们认为的黑洞只吸收物质和辐射的观念。黑洞也在极其缓慢的释放各种辐射,虽然极其缓慢罢了。

黑洞的形成与演化

  恒星是依靠其中心的核燃烧来对抗自身的强大重力的,一旦其所能燃烧的核燃料耗尽,核心物质会在自引力的作用下发生坍缩。根据恒星质量的不同,最终命运也会不同:
  一般来讲,质量小于9倍太阳质量的恒星,在生命结束的时候,首先膨胀成为一颗巨大的红巨星,向星际抛射大量气体物质,经过多次抛射,平静下来以后,最终核心物质的质量会在1.4个太阳质量以下,形成为一颗“白矮星”,年轻的白矮星被美丽的行星状星云所包围。据此,我们的太阳最终会形成一颗白矮星。
  质量大于9倍、小于25倍太阳质量的恒星,在生命结束的时候,也会膨胀成为一颗巨大的红巨星,向星际抛射大量气体物质,然后由于最终核心物质的质量仍然超过了1.4个太阳质量的临界质量,核心物质发生猛烈坍缩,释放出大量能量,把恒星的巨大外层物质猛烈抛射出去,这就是著名的超新星爆发事件。同时,核心物质坍缩成了密度极大的“中子星”。
  质量大于25倍太阳质量的恒星在生命的终点,经过气体抛射阶段后,核心物质仍然如此之重(大于3倍太阳质量),以至于没有任何力量能与自身强大的重力想抗衡,最终核心物质掉入无尽的深渊——黑洞形成。如果其前身星的旋转轴朝向地球,那么人类就会观测到“伽玛射线爆发”(GRBs),因此,可以说“伽马射线爆发”是黑洞诞生的第一声啼哭!
  当代天文学发现,宇宙中存在有“超大质量黑洞”(SMBH),达到从几百到几十亿个太阳质量不等。超大质量黑洞的形成有很多模型。最基本的模型是,恒星级黑洞经过长期吞噬物质,质量逐渐增大所形成;还有一类模型是“致密星团”(dense stellar cluster)发生引力坍缩形成超大质量黑洞。天文学中的“类星体”、“活动星系核”以及“射电星系”都与超大质量黑洞吸积物质的高能活动有关。

迷你黑洞与LHC

  关于欧洲大型强子对撞机(LHC)有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻,不仅在过去几年时间里反复出现在各大媒体的显著位置上,而且还将美国和欧洲的司法界都卷入其中——因为有人试图通过法律手段来制止对撞机的启用,以“拯救”地球。
  在大型强子对撞机开始试运行的2008年9月,非常不可思议的是,在印度一位16岁的花季女孩发生了自杀——据说是因为过分担心微型黑洞会毁灭世界。
  1974 年,英国物理学家霍金发现,由于量子效应的影响,黑洞会向外辐射能量。这种所谓的霍金辐射(Hawking radiation)对于大质量黑洞来说是微乎其微的,但对微型黑洞却极为显著,而且在时空有不止四个维度的情况下依然存在。计算表明, 由于霍金辐射的存在,即便大型强子对撞机能够产生黑洞,那些黑洞也会在瞬息之间“人间蒸发”,别说毁灭地球,就连侵吞一两个原子都未必来得及。
  实际上,宇宙中存在比人类加速器所加速的粒子能量大得多的宇宙射线。最高能量的宇宙射线比LHC的能量高100万倍!如果LHC能产生微型黑洞,那么超高能宇宙射线早就一直在产生着微型黑洞,既然我们地球包括最致密的宇宙天体中子星也幸免于难,我们人类真的没必要担心。

黑洞与时空穿梭

物理学家对时空穿梭的探讨

  虫洞不仅是科幻小说家凭空想象的东西。在物理学中,早在1916年就从数学上在爱因斯坦场方程里发现了它了。那时,爱因斯坦场方程才刚刚建立几个月。后来1957年物理学家米斯纳(C.W.Misner)与惠勒(J.A.Wheeler)又用数学方法对其进行了广泛的研究。那么究竟什么是虫洞?它又为什么会被科幻小说家视为星际旅行的工具呢?

  让我们用一个简单的例子来说明:大家知道,在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线,但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫洞,通过虫洞就可以在这两个点之间走直线,这显然要比原先的弧线来得近。把这个类比从二维的苹果表面推广到三维的物理空间,就是物理学家们所说的虫洞,而虫洞可以在两点之间形成快捷路径的特点正是科幻小说家们喜爱虫洞的原因。不过米斯纳与惠勒所提出的虫洞是极其微小的,并且在极短的时间内就会消失,无法成为星际旅行的通道。
  虫洞洞口有点像无旋转黑洞的球状静界,不过有一个重要的区别:黑洞的视界是“单向”曲面,任何事物都能够进去,但没有东西可以出来。而虫洞洞口是双向的,必须能从两个方向穿过它,可以走进洞里,也可以回到外面的宇宙。所以,黑洞的性质不满足作为虫洞洞口的条件。

科幻电影中的黑洞
  简介:
  《黑洞表面》是近年比较出色的科幻恐怖电影。
  2040年美国航天总部派遣一艘可以超光速航行的太空船Event Horizon(又译为《撕裂地平线》号),目的是搜寻宇宙的边境。但在到达海王星时,太空船神秘失踪,音讯全无。7年后,航天总部收到Event Horizon号发自海王星的讯息,经解码发现其中有类似人声,依稀是绝望的呼喊“save me”或“save yourself”。总部决定再派遣当初设计Event Horizon号的威尔博士,搭乘路易斯与克拉克号(Lewis & Clark,1805年横越北美的两位探险家)救难船,前往海王星一探究竟。
  登舰后,救难小组发现,Event Horizon号已成鬼域,三个带棘刺的铁黑色磁力环,在一个也是带棘刺的铁黑色球状引擎室中,像一个魔幻的神坛。它具有启动时空之门的力量,从折叠的异次元获得生命,并将整艘太空船变成一个生命体:引擎就是心脏,其免疫系统便是唤起异物入侵者(包括原有的船员)内在罪孽的幻觉,然后加以一一残杀。
  一个跨越时空的边界的航行,遂因时空的交叠而转变为跨越科学边界、抵抗魔界的内在探索。人能否自救(讯息的核心),就在于其如何面对自己的罪孽。然而,面对黑洞的终极吞噬力量,几乎所有的救赎行动都无法抗拒最终的毁灭,除非你视死如归、慷慨以赴。
  在天文学上,根据爱因斯坦的广义相对论,巨大的质量将因重力的作用坍陷成黑洞,黑洞周围的时空高度扭曲卷缩。Horizon也指黑洞周围出现的这个将卷缩的时空与整个宇宙区隔出来的界面,任何东西都不能从这个界面的内部逃逸出去,包括光线,因此也有人将之翻译成“视界”。对于人的精神状态及因此而生的文学而言,黑洞以及黑洞的边界这样一种概念,自然可以成为一种极具魔力的隐喻,它指涉了彻底的黑暗与绝望,甚至于就是撒旦魔鬼的化身 …[详细]

著名物理学家和黑洞

爱因斯坦

  虽然黑洞是广义相对论的产物,但是黑洞是如此之怪异,以至于爱因斯坦都不相信宇宙中真有黑洞的存在

霍金

  因证明了黑洞“奇性定理”和提出黑洞“霍金辐射”的存在而闻名于物理学界,因《时间简历》成为畅销书而家喻户晓。

惠勒

  为黑洞起名的美国理论物理学家。1967年之前,苏联学术界把黑洞被称为“冻星”,而西方学术界称之为“坍缩星”。

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