小矶 / 待分类 / 八个会被忽视的黑洞常识

分享

   

八个会被忽视的黑洞常识

2015-09-02  小矶

在广义相对论发展的早期,人们曾以为视界之内有一个奇点,但现在证明这是错的。

当前浏览器不支持播放音乐或语音,请在微信或其他浏览器中播放 Anthem For Doomed Youth The Libertines - Anthem For Doomed Youth

NASA / JPL-加州理工学院


黑洞的视界分两种


界定黑洞的特征是“视界(horizon)”。视界是黑洞周围一个只进不出的边界,所有一切都无法从视界逃离,即使是光也不行。如果这个边界是永久性的,那就叫“事件视界(event horizon)”。如果只是暂时存在,就叫“表观视界(apparent horizon)”。但是表观视界存在的时间仍然可以比当前宇宙的年龄还要长!因此这两种情况是无法通过观测加以区分的。


Adam Apollo


相对而言黑洞的体积并不算大


可以把黑洞的视界想像成球体,它的直径和黑洞的质量存在着直接的比例关系。黑洞吞掉的物质越多,体积和质量就会越大。和恒星这类天体相比,黑洞是比较小的。这是因为黑洞的巨大质量被强大的引力压缩成了很小的体积。一个质量相当于地球的黑洞,半径只有几厘米。与地球的实际半径要相差100亿倍!


黑洞的半径被称为“史瓦西半径”。史瓦西是首个根据爱因斯坦广义相对论推导出黑洞存在的科学家。


伯明翰图书馆


跨越视界并不一定会被撕碎


跨越视界时,周围并没有什么不同。这是根据爱因斯坦等效原理(equivalence principle)所作的推论。该原理认为,在平坦空间中的加速,与在导致空间弯曲的引力场中加速,并不会产生任何可感知的区别。但是远处的观察者会发现,跨越视界者接近视界的速度会越来越慢。这是因为黑洞视界附近的时间比远处要慢得多。他们永远也看不到前者越过视界的那一刻。


我们跨越视界时会不会被撕碎,取决于黑洞引力场产生的潮汐力。视界上的潮汐力与黑洞质量的平方成反比。这就意味着黑洞越大,它产生的潮汐力就越小。假如黑洞足够大,我们就可以在毫发无损的情况下跨越视界。


这种能把人拉得细长的潮汐力作用,还有一个正式的物理学术语——“意大利面条化(spaghettification)”。


Ashley Corbion


黑洞内可能并没有奇点


没有人知道黑洞里究竟有什么,但是可以肯定并没有书架!在广义相对论发展的早期,人们认为黑洞内存在着一个引力无穷大的奇点(singularity),视界内的一切都会坠向奇点。但这实际上是因为,在黑洞内部,广义相对论已经失效。现在人们一般都认为,只有量子引力理论才能对黑洞内部加以描述。


理论上黑洞有四种不同的类型


我们现在知道,黑洞有四种不同的产生方式。学者们了解得最充分的一种黑洞是由恒星坍缩产生的。足够大的恒星在燃尽了所有可以用来聚变的燃料后,就会制造出一个黑洞。当聚变产生的压力停止后,物质会向它自身的引力中心坠落,从而增大其自身的密度。它的密度足够大后,便没有什么能够再克服它产生的引力,黑洞由此产生。这类黑洞名为“太阳质量黑洞”,是最常见的一种。


银河系中心的超大质量黑洞(人马座A*)。NASA / 钱德拉X射线天文台


第二种是“超大质量黑洞”,我们可以在很多星系的中心找到它们。这类黑洞的质量在太阳质量黑洞的十亿倍以上。它们的产生原因不明。有人认为它们最初是太阳质量黑洞,后来在拥挤的星系中心吞食了太多的恒星,才逐渐变大。但实际上它们吞食物质的速度比理论估计还要快。这同样也是个谜。


第三种是有争议的“原初黑洞”,它们可能是在早期宇宙高密度的波动中产生的。也许它们出现过很多,而且质量各异。但是科学家还不知道该如何在理论中建立一种既能产生这类黑洞,又不至于产生过多这类黑洞的模型。


最后一种黑洞也仅存在于推测中。科学家认为大型强子对撞机可以制造出一种质量和希格斯玻色子相当的微型黑洞。它的存在可以证明宇宙中确实存在额外的维度。但是到目前为止,还没有与这个观点相符的观测结果。


银河中心恒星群围绕质心的高速运动。KECK / UCLA银河中心恒星群 / Andrea Ghez等


科学家正在计划观测黑洞的光球


人们已经获得了大量证据,表明有一些质量很大而且不发光的致密天体存在。这些天体能通过引力,对其它恒星或气体云的运动产生影响。它们也会产生引力透镜现象。人们也已经获知,这些天体不存在硬质的表面。这是因为如果这些天体有硬质的表面,那么当物质坠落到这些天体上时,释放出的粒子辐射量会比落入黑洞的视界高得多。科学家还打算实施“视界望远镜”计划,对黑洞的另一特征进行识别——观测它们的光球(photosphere)。黑洞光球是一种极端的引力透镜现象。


P. Marenfeld / NOAO / AURA / NSF


黑洞越大其本身的辐射温度越低


黑洞辐射是一种量子效应。要注意的是,这是物质的量子效应,而非引力的量子效应。坍缩黑洞的动态时空会改变人们对粒子的看法。就像黑洞能够扭曲邻近时间的流逝方式一样,人们对粒子的看法,也会因观察角度的不同而发生变化。具体来说,当观察者坠入黑洞时,会认为他坠入的是真空;远处的观察者则会认为那并非真空,而是充满了粒子。这种效应是时空本身的拉伸造成的。


这种辐射是史蒂芬·霍金首次发现的,因而被称为“霍金辐射”。霍金辐射的温度与黑洞的质量成反比:黑洞越小,温度越高。对于恒星级和超大质量黑洞来说,霍金辐射的温度远低于宇宙微波背景的温度,因此无法被观测到。


MIT


是黑洞的蒸发和量子力学间的矛盾产生了所谓的“黑洞信息丢失悖论”


信息丢失悖论是由霍金辐射引发的。霍金辐射是一种纯热学辐射,因此它是无序、随机的,仅有的就是温度。这种辐射不包含任何与黑洞的形成有关的信息。但是黑洞会因为辐射而丢失质量并缩小,最终会完全转变成无序的辐射,遗留下的辐射量只与黑洞的质量有关,而与形成黑洞的物质细节无关,与有什么坠入过黑洞无关。因此,假如我们只知道黑洞的最终蒸发阶段,就无法知道当初是什么形成了黑洞。这是一种被称为“不可逆”的过程——麻烦在于,在量子力学中,不允许这样的过程存在。


所以,黑洞的蒸发和我们所知的量子力学产生了不一致。大部分物理学家相信,解决方案可能在于霍金辐射本身会以某种方式把信息保留下来。


中子星(左)和黑洞(右)。Dana Berry / NASA


Sabine Hossenfelder 文 / 老孙
商业转载须获授权,非商业转载请注明出处、作者、译者

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>