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1、黑洞-万有引力的应用黑洞v对黑洞的认识v黑洞的形成过程v黑洞的物理概念对黑洞的认识v黑洞是怎样命名的？v黑洞是怎样产生的？v黑洞会消失吗？ 黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。美国物理学家约翰阿提惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。
2、没有边际的黑洞 黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样最大最古老的黑洞 距地球最近的黑洞 没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原
3、理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。 黑洞吞噬着恒星黑洞吞噬则气体尘埃 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
4、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。 黑洞的形成过程 但这一过程并没有释放太多的能量，恒星继续收缩。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。
5、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。 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“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
6、是发生。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看到，恒星发出的光越来越红，越来越淡，最终再也看不到这颗恒星了。这是一个名副其实的黑的“洞”！黑洞的物理概念v广义相对论v黑洞的隐身术 广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在
7、而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。 让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。 爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。 同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸
8、变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。 如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。 现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的
9、破裂叫做时空的奇异性或奇点。 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。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方向。在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。黑洞的隐身术如果你掉进黑洞会
10、发生什么？ 试想，我拥有一艘不错的带有自毁报警器的飞船，并准备跳进一个不带电、无自旋的史瓦西（Schwarzschild）黑洞。在掉入黑洞之前，我不能看到这类或其他黑洞视界以内的任何东西。但视界与周围的区域相比并不会有什么特殊之处。然而当我到达视界的时候，我就完蛋了，连超人也救不了我，因为他没法阻止星期天变成星期一。最终我会一头扎在奇点上。但在此之前，将会有无比巨大的潮汐力由于时空扭曲而引起的力从某些方向上将我压扁，又从另外一些方向上将我抻长，直到我看起来象一根意大利面条。 对于普通的有着几个太阳质量的黑洞来说，在视界之外的确有巨大的潮汐力，因此在到达视界之前我可能早就承受不住而被解体了。例如
11、对于有8个太阳质量的黑洞来说，致命的潮汐力作用半径r在400公里左右，而其史瓦西半径仅有24公里。但潮汐力的大小于M/r3成比例，即致命半径r是质量的三次方根，而黑洞的史瓦西半径与其质量成正比。对于有1000个太阳质量的黑洞，我可能会活着掉进去；对于一些更大的黑洞，在通过史瓦西半径一去不回之前我可能根本不会感到潮汐力的存在。根据相对论，下列叙述是正确的： 1.当一个物体的运动速度接近光速时，它的动量将无限增加2.能量与质量的关系公式E=mc23.当一个物体的运动速度接近光速时，其长度趋于04.如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞如果运动得太快，你会变成黑洞吗？ 把这些事实相
12、加，我们似乎可以得出结论：一个以足够接近光速运动的物体会坍缩成黑洞。我们甚至可以声称当你相对于一颗恒星的运动速度足够快时，恒星对于你而言会由于你观测到它的能量增加而变成黑洞。这些当然是似是而非的，因为果真如此，一个相对于恒星固定不动的观测者看到的将会是完全不同的景象。那么哪里搞错了呢？ 事实上物体不会由于其外在动能的增加而趋于变成黑洞。对一个相对于物体固定不动的参照系而言，该物体只具有静质量能。并且除非其质量足够大，否则它不会变成黑洞。如果它在一个参照系中不是黑洞，那么它在其他所有的参照系中也不会是黑洞。 导致此种错误认识产生的部分原因在于错误地理解了公式E=mc2中的质量。随着物质的速度和动
13、能增加的相对论质量，不能被盲目地代入向类似用质量求解黑洞半径这样的公式中去。避免这个错误的方法是只考虑静质量而不提及相对论质量。 “如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞”这种叙述是十分含糊不清的。不太严格地讲，如果一定的质量M存在于半径为2GM/c2（史瓦西(Schwarzchild)半径）的球中，那么它必定是一个黑洞。但这是基于对爱因斯坦广义相对论场方程在忽略动量、角动量以及时空自身的动力学特征后得出的一个特殊的静态解。在广义相对论中，引力不象在牛顿引力中那样只与质量有关，它还和动量及动量流有关，甚至和自身相关。确切地定义黑洞的形成条件是十分困难的。霍金（Hawking）
14、和潘罗斯（Panrose）提出了一些黑洞形成的奇异理论，并且从天体物理学的角度看，这些理论适用于质量足够大的恒星在其生命晚期坍缩成很小的体积之时。 宇宙在形成之初为什么没有坍缩成黑洞？ 有些人很难理解为什么大爆炸不是一个黑洞。毕竟物质它在其最初的几分之一秒内的密度比所有已知恒星的密度都高得多，而且如此高密度的物质理应强烈地扭曲时空，当密度足够大时，一定会出现一个相对于其内部质量而言尺寸小于史瓦西半径(Schwarzschild Radius)的区域。然而大爆炸设法避免了限于自己制造的黑洞之中并且令人不可思议的是奇点附近的空间实际上并未紧紧地卷曲反而展平了。这是怎么回事？简单的回答是这样的：因为大爆炸在初始时刻膨胀得很快而此后膨胀速率才逐渐降低，所以它避免了变成黑洞。空间可以被展平而时空不会。卷曲可以来自于时空尺度的时间部分。该尺度确定了宇宙膨胀的减速度。因此时空卷曲的总和与物质的密度有关，但膨胀和任何空间的卷曲对其都有影响。史瓦西关于引力方程的解是静态的，而且是一个静态球体坍缩成黑洞前的极限。史瓦西极限不适用于快速膨胀的物质。 双鱼座发现新黑洞 质量相当一万个太阳 银河系中央黑洞 宇宙最强“黑洞”喷发
