到底什么是黑洞

到底什么是黑洞

 

本文解答了有关黑洞的基本问题，如“什么是黑洞？什么时候会形成黑洞吗？科学家能看到黑洞吗？什么是黑洞的“事件视界”？”

到底什么是黑洞？

作者：安德鲁·齐默尔曼琼斯(Andrew Zimmerman Jones)

黑洞的艺术描绘图像，美国国家航空和航天管理局（NASA）

    问题：什么是黑洞？

什么是黑洞？什么时候会形成黑洞吗？科学家能看到黑洞吗？什么是黑洞的“事件视界”？

答：黑洞是根据广义相对论方程预测的理论上存在的实体。当一个质量足够大的恒星发生引力塌缩时，它的大部分或全部质量会在一个微小的空间内极度压缩，从而产生一个具有无限时空曲率的点（奇点）,这就是黑洞。黑洞那巨大的时空曲率禁止任何事物从它的“事件视界”或黑洞的边界上逸出, 甚至连光线也不能。

虽然对黑洞效果的预测与观察值相符合，但从未有一个黑洞被人们所直接观测到。存在少数如磁层永恒折叠对象（MECOs）的，替代理论，来解释这些意见，避免其中大部分在中心的黑洞的时空奇点，但绝大多数物理学家认为，黑洞的解释是最有可能正在发生的物理表示。物理学上也有少数可以替代黑洞的理论，它们可以解释这些观察结果，同时又避免了黑洞中心时空奇点的出现，比如磁层永恒塌陷物体（ MECOs ）。但是绝大多数的物理学家都认为黑洞理论才是最有可能解释宇宙物理行为现象的理论。

相对论之前的黑洞理论

18世纪初，就有人提出大胆的设想：一个具有超大质量的物体，可能会把光吸进去。当时，牛顿光学是光的微粒论——把光当作粒子来处理。

约翰·米歇尔（John Michell）于1784年发表过一篇论文。文中预测了一种半径为太阳500倍（但密度必须与太阳相同）的天体，其表面逸出速度将达到光速，因此这样一种天体是不为人所见的。然而在在20世纪初，当光的波动论突然出现的时候，人们对这种理论的兴趣便消失了。

近代物理学很少涉及黑洞的理论实体，为使其与真正的黑洞区别开来，科学家将其称为“暗星”

相对论产生的黑洞理论

1916年，在爱因斯坦的广义相对论发表的几个月后，物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwartzchild）提出了求解爱因斯坦球形物体质量的方程式（称为史瓦西度量）... ...产生了意想不到的结果。

这个方程式有一个不可思议的特点：某个特定的球体半径计算时会使此项分式的分母等于零，从而形成数学上的“溢出”。 这个半径称为史瓦西半径，用符号rs表示，其表达式为：

rs = 2GM/c2

G是引力常数，M是质量，c是光速。

史瓦西的结论被证实是理解黑洞的关键，这本事就是一个奇怪的巧合，因此，人们把“史瓦西”翻译成“黑盾 ”。

黑洞的性质

半径小于rs、总质量为M的球体就是黑洞。事件视界这个名称的出现即始于rs，因为以球体为中心的rs半径内，摆脱黑洞引力的逃逸速度为光速。黑洞通过其引力来吸引质量，但是，已经在黑洞内部的质量再不可能从黑洞中逃逸出来。

黑洞往往根据物体或质量的“落入”来进行解释。

Y对一个正在落入黑洞的X进行观测。

X落入过程中，Y会发现X的钟表变慢，当X到达RS半径时，钟表保持静止不动，这意味着时间已经被冻结了。

Y观测到的是从X射来的光的红移，在X到达rs半径时，这个红移达到了无穷大（因此X就变得不可见了——但由于某种原因我们仍然还可以看到它们的钟表。这是否就是理论物理学的魅力所在？）。

X自身的感知会发生明显的变化。理论上，一旦X跨过了rs半径，它永远都不可能摆脱黑洞的重力。（连光也不能逃脱黑洞的事件视界。）

黑洞理论的发展

20世纪的20年代，物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar ）推导出一个结论：根据广义相对论，任何超过太阳质量1.44倍（ 这个质量称为钱德拉塞卡极限）的恒星都必然崩塌。而物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington） 则认为，某些性质会阻止这种崩塌。分别从两个理论的角度看，两者均是正确的。

1939年，罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）预测，一个超大质量的恒星会崩塌，从而形成了一个真正的“冻结之星”，而不仅仅是基于数学计算的“暗星”。崩塌观测起来似乎在减慢，实际上时间的冻结就发生在恒星坍塌到rs半径之时。恒星发出的光在rs半径上会产生的红移。

遗憾的是，许多物理学家把这一切看做是宇宙在史瓦西尺度高度对称情况下才存在的一个特征，他们认为由于宇宙的不对称性，这样的崩塌并不会发生。

直到1967年——在发现史瓦西半径rs近50年后，物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）才证明，恒星崩塌产生黑洞不仅是广义相对论直接推导的结果，而且也没有任何办法来制止这种崩塌。脉冲星的发现进一步支持了这一理论。此后不久，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在1967年12月29日的演讲中开始采用“黑洞”这个名称。

后续工作包括霍金辐射的发现，表明黑洞能够发出辐射。

对黑洞的推测

黑洞是一个研究领域，吸引着喜欢挑战的理论家和实验者。今天，人们普遍认可了黑洞的存在，但其确切性质仍旧不明。有些人认为，落入黑洞内的物质可能会在宇宙的其他地方重新出现，就像在虫洞（wormhole）那样。

黑洞理论的一个重要补充是英国物理学家斯蒂芬·霍金于1974年发现的霍金辐射。

译注：

事件视界：事件视界（event horizon），也叫事象地平面，是一种时空的曲隔界线，指的是在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息，或者受到事件视界以内事件的影响。因为即使速度快如光也无法出脱事件视界的范围，因此又演绎出“视界”的译词，作为外界观察者可看见范围的界线；从这点，事件视界所包住的时空对外界的观察者而言看起来是黑的，而出现了“黑洞”这名称。

光的微粒论与光的微粒论。前者认为光是一种粒子（光子），后者则认为光是一种波。现代理论中，光具有“波粒二象性”，即光既是粒子，同时也是波。

   红移：指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测

霍金辐射：在"真空'的宇宙中,根据海森堡测不准原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒.在黑洞视界之外也不例外.霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况.如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远.在外界看就像黑洞发射粒子一样.这个猜想后来被证实,这种辐射被命名为霍金辐射.由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会渐渐变小,消失；它也向外带去信息,所以不违反信息定律。

虫洞：该理论由阿尔伯特·爱因斯坦提出。简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫"灰道"。