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  • 关于黑洞:你应该知道的10件事

    2019-06-04 14:43:38

    来源:头条资讯   作者:都市哥

    阅读:593

    评论:0

    [摘要] 当我第一次了解黑洞的时候,我很害怕它会飞过我们的太阳系,把我们吃掉。那是20年前的事了。我不再害怕黑洞,但我担心它们被误解了。下面是关于黑洞你应该知道的10件事。1. 什么是黑洞?黑洞包含一个没有任何东西可以逃离的区域,因为,要逃离,你必须以超过光速的速度移动,而这点是你无法做到的。你无法逃离的区域的边界被
    关于黑洞:你应该知道的10件事

    当我第一次了解黑洞的时候,我很害怕它会飞过我们的太阳系,把我们吃掉。那是20年前的事了。我不再害怕黑洞,但我担心它们被误解了。下面是关于黑洞你应该知道的10件事。

    1. 什么是黑洞?

    黑洞包含一个没有任何东西可以逃离的区域,因为,要逃离,你必须以超过光速的速度移动,而这点是你无法做到的。你无法逃离的区域的边界被称为“视界”。“在最简单的情况下,视界具有球体的形式。它的半径被称为史瓦西半径,以卡尔史瓦西命名,他首先推导出黑洞作为爱因斯坦广义相对论的解。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    2. 黑洞有多大?

    黑洞的直径与黑洞的质量成正比。所以质量越大,黑洞就越大。然而,与其他恒星相比,黑洞很小,因为巨大的引力压力把它们的质量压缩成很小的体积。例如,一个与地球质量近似的黑洞的半径只有几毫米。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    3.视界上发生了什么?

    黑洞视界没有物质。因此,穿越黑洞视界的人不会注意到他们周围发生了什么奇怪的事情。这是根据爱因斯坦的等效原理得出的,这意味着在你的周围,你无法分辨平面空间的加速速度和产生重力的弯曲空间的加速速度之间的区别。

    然而,一个远离黑洞的观察者如果看到有人掉进去,就会注意到,越靠近视界,下落的人移动得就越慢。之所以会出现这种情况,是因为靠近黑洞视界的时间比远离视界的时间要慢得多。

    这是爱因斯坦发现的时间相对论的一个奇怪的结果。所以,如果你掉进一个黑洞,穿过视界只需要有限的时间,但从外面看,它似乎要花很长时间。

    你在视界上的体验取决于引力场的潮汐力。潮汐力大致是引力的变化。不是重力本身,而是附近两个地方的重力差,比如你的头和脚。

    视界上的潮汐力与黑洞质量的平方成反比。这意味着黑洞越大,质量越大,视界上的潮汐力就越小。是的,你没听错。黑洞越大,视界上的潮汐力就越小。

    因此,如果黑洞只有足够的质量,你可以穿过视界而不注意刚刚发生了什么。一旦你越过地平线,就没有回头路了。当你接近黑洞中心时,潮汐力的拉伸会变得越来越不舒服,最终把一切都撕裂。

    在广义相对论的早期,许多物理学家认为视界上存在一个奇点,但事实证明这是一个数学错误。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    4. 黑洞里面是什么?

    没有人真正知道。广义相对论预言黑洞内部是一个奇点,在那里潮汐力变得无穷大。但是我们知道广义相对论在奇点附近不起作用,因为在奇点附近,空间和时间的量子涨落变得很大。要想知道黑洞里有什么,我们需要一个量子引力理论——而我们没有。大多数物理学家相信,如果我们有这样一个理论,它会用别的东西取代奇点。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    5. 黑洞是如何形成的?

    目前我们知道黑洞形成的四种不同方式。最容易理解的是恒星坍缩。一颗足够大的恒星在它的核聚变耗尽后将形成一个黑洞,这发生在恒星融合了所有可以融合的东西之后。现在,当聚变产生的压力停止时,物质开始向自己的引力中心下落,因此密度越来越大。最终,这种物质的密度如此之大,以至于任何东西都无法克服恒星表面的引力:这时就产生了一个黑洞。这些黑洞被称为“太阳质量黑洞”,它们是最常见的。

    下一个常见的黑洞类型是“超大质量黑洞”,可以在许多星系的中心发现。超大质量黑洞的质量大约是太阳质量黑洞的十亿倍,有时甚至更多。它们究竟是如何形成的还不完全清楚。许多天体物理学家认为,超大质量黑洞一开始是太阳质量的黑洞,由于它们位于人口密集的星系中心,它们吞噬了许多其他恒星并成长起来。然而,黑洞的增长速度似乎比这个简单的想法所暗示的要快,而它们究竟是如何做到这一点,目前还不清楚。

    更有争议的观点是原始黑洞。这些黑洞可能是由早期宇宙中等离子体的密度波动形成的。所以,他们应该一直在那里。原始黑洞原则上可以有任何质量。虽然这是可能的,但很难找到一个既能产生原始黑洞又不产生太多黑洞的模型,这与观测结果相矛盾。

    最后,还有一个非常投机的想法,即微小的黑洞可以在粒子对撞机中形成。只有当我们的宇宙有额外的空间维度时,这才会发生。到目前为止,还没有任何观察证据表明这可能是事实。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    6. 我们如何知道黑洞的存在?

    我们有很多观测证据证明非常小的物体质量很大却不发光。这些物体因其引力而显露出来。例如,它们通过影响周围其他恒星或气体云的运动来做到这一点,我们已经观察到。

    我们还知道这些物体没有表面。我们知道这一点是因为物质落在有表面的物体上会比物质落在地平线上然后消失会产生更多的粒子。

    我们用“视界望远镜”观测到了黑洞阴影。这基本上是一个极端的引力透镜现象。所有这些观察结果都与它们是由黑洞引起的解释相一致,而且没有类似的好解释存在。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    7. 为什么霍金曾经说黑洞不存在?

    霍金对黑洞使用了非常严格的数学定义,这在物理学家中相当少见。

    如果黑洞视界的内部永远不相连,我们就称之为“事件视界”。如果内部只是暂时断开连接,我们说的是“明显的地平线”。但是由于一个明显的地平线可能存在很长一段时间,比如几十亿年,所以这两种地平线不能通过观察来区分。因此,物理学家通常把这两种情况称为“黑洞”。然而,更有数学头脑的人只把第一种具有永恒视界的情况算作黑洞。

    霍金的意思是黑洞可能没有一个永恒的视界,而只是一个暂时的可见视界。这并不是一个有争议的立场,许多业内人士都认同这一立场。

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    8. 黑洞是如何发出辐射的?

    黑洞之所以能发出辐射,是因为坍缩黑洞的动态时空改变了粒子的概念。这是爱因斯坦理论中“相对论”的另一个例子。就像不同的观察者所经历的时间是不一样的,取决于他们在哪里以及他们如何运动,粒子的概念也取决于观察者,取决于他们在哪里以及他们如何运动。

    正因为如此,一个掉进黑洞的观察者认为他是在真空中落下的,但是一个远离黑洞的观察者认为它不是真空而是充满了粒子。粒子从何而来?它们来自黑洞。

    黑洞发出的这种辐射被称为“霍金辐射”,因为霍金是第一个推导出这种辐射会发生的人。这种辐射的温度与黑洞的质量成反比:因此,黑洞越小,温度越高。对于我们所知的恒星和超大质量黑洞,其温度远低于宇宙微波背景温度,因此无法观测到。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    9. 什么是信息丢失悖论?

    信息丢失悖论是由霍金辐射引起的。这是因为霍金辐射是纯热的,这意味着它是随机的,除了有一个特定的温度。特别是,辐射不包含任何关于黑洞形成的信息。

    但是当黑洞发出辐射时,它会失去质量并收缩。因此,最终黑洞将完全转化为随机辐射,剩下的辐射只取决于黑洞的质量。它完全不取决于形成它的物质的细节,也不取决于后来发生了什么。因此,如果你只知道蒸发的最终状态,你就不能说出是什么形成了黑洞。

    这样的过程被称为“不可逆过程”——问题是量子力学中没有这样的过程。因此,黑洞的蒸发与我们所知的量子理论是不一致的,这是必须给出的。必须以某种方式消除这种不一致。大多数物理学家认为,解决办法是霍金辐射必须以某种方式包含信息。

    关于黑洞:你应该知道的10件事

    10. 那么,黑洞会来吞噬我们吗?

    这并非不可能的,但可能性很小。

    由于星系的形成方式,星系中的大多数恒星都围绕星系中心运行。有时两个太阳系相撞,一颗恒星、一颗行星或一个黑洞被踢到一个奇怪的轨道上,离开一个太阳系,绕着它转,直到它被另一个系统的引力场捕获。

    但是星系中的恒星通常彼此距离很远,我们位于一个螺旋星系的外臂上,那里并没有发生太多的事情。所以,一个黑洞恰好在正确的曲线上出现,给我们带来麻烦,这是极不可能的。我们也会提前很长时间知道这一点,因为我们会看到黑洞对外行星的引力作用。

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