物质终点——黑洞.doc

物质的终点——黑洞 一、黑洞的诞生及简介 在“恒星的形成和演化”中我一已说到“超新星爆发”，当一个比我们的太阳的质量大大约100倍的恒星燃料耗尽时，它自身的引力会战胜内部的压力，使恒星的内核在约1毫秒内坍缩到一个很小的球体，这个球体的密度极大（假设把地球压缩到一个高尔夫球的大小，那么这时‘地球’的密度和黑洞的密度相当），引力也大得难以想象，它能将时空严重扭曲，甚至连光都无法从它的旁边逃逸。我们将这样的时事件集合或时空区域称为黑洞。 在这样的超超新星爆发时，当恒星内部的黑洞已经形成，便开始吞噬恒星的其他部分，但它吞噬得太快了，会在恒星的两端形成两条能量光束（γ射线），于是，这个恒星的其他部分爆炸了（如图4.1）。这种爆炸放出的能量非常巨大，相当于我们太阳在100亿年内 放出的能量的总和。原恒星两端发射γ射线的过程被称为γ射线爆发，发出的γ射线被称为γ射线暴，γ射线暴所经过的一切都会被蒸发。 这样，一个新生黑洞就诞生了。 因为黑洞周围的光线和黑洞自身发出的光线会被它自身的引力拉回去，所以我们看到的黑洞是“黑”的，我们也没有能力探测到它（既然光速是宇宙中最快的速度，既然连光都无法逃逸，那么其他物质就更不可能了，那为什么说‘没有能力’而不是‘无法探测到’，下面我会说到）。 二、黑洞周围的空间和时间 我们知道，根据相对论，一切有质量的物体都能扭曲时空，物体的质量越大，时空扭曲得越厉害（以牛顿的观点就是万有引力）。当光在这个扭曲的四维时空中沿直线传播时，我们在三维空间中就会看到光线略微向该物体偏折（如图4.2）。表现在光锥上，就是光锥在该物体表面稍微向内弯折。 黑洞的密度极大，引力也高得难以想象。这么强的引力能严重扭曲时空，当光线在它周围经过（或它自身发出的光线）不再是逃逸，而是被它捕获（或重新拉回去）?。因为根据万有引力公式F=GmM/r2，物体间的引力和它们之间距离的平方成反比，所以在黑洞外的某个距离，所具有的引力刚好使光线既不能逃逸，也不能被捕获。这就是黑洞的边界，我们称之为“事件视界”。在事件视界内部的光线不能逃逸，所以其他的任何物质也不可能逃出，所以我们可以认为事件视界将时空分成了两部分。 根据广义相对论，在黑洞中必然存在密度和空间曲率无限大的奇点，宇宙大爆炸和宇宙大挤压（如果可能的话）的点我们也可以认为是奇点，奇点是时间-空间的开端和终点，所有物理定律在奇点处都崩溃了。 ????? 在广义相对论中，物体受到的引力越大，它的时间就越慢，所以在事件视界处的物体对我们而言，时间静止了，即我们永远也不可能完整的看到一个物体落入黑洞中。我们看到的只是该物体越接近事件视界，它下落的越慢，当它到达事件视界时，在我们看来它静止了。其实它仍以高速向黑洞内部飞去。 三、黑洞其实并不“黑” ????? 我们已经是知道，任何落入事件视界的物质都不可能再逃逸出来，所以我们也不可能探测到黑洞的存在，那为什么说，黑洞不“黑”呢？ ????? 根据量子力学不确定性原理，黑洞也应向外辐射粒子，这些粒子不是从黑洞内部辐射出来，而是紧靠着事件视界外的区域发出的。 ????? 当粒子/反粒子从事件视界外创生时(见下表粒子的分类)，因为能量不能无中 生有，所以正能粒子（正能反粒子）带有正能量，而负能粒子（负能反粒子）是带有负能量的短命的虚粒子。因为在黑洞外普通的时空中（没有强大的引力），只允许存在正能粒子（正能反粒子），所以它们中只有负能粒子（负能反粒子）会落入黑洞，而正能粒子（正能反粒子）会被抛出（也有可能两者都落入黑洞）。当负能粒子（负能反粒子）落入黑洞时它的负能量会和黑洞内的正能量抵消，减少了黑洞的总能量。当黑洞的能量（即质量，由质能公式E=mc2推出）在减少，而又有带正能量的实粒子被抛出（即辐射出来），就相当于黑洞在向外辐射粒子。（如图3.3） 这样的辐射就是著名的霍金辐射，他说明了黑洞不是在因吞噬其他物质而不断增大，而是以恒定的速度向外辐射粒子，并最终消失！ 四、夜空中的黑洞 ????? 2004年，美国发射了史威福探测器以探测宇宙中的γ射线暴，到目前为止，它每天至少能探测到一个γ射线暴！这个现象是整个天文学界都震惊了，这说明，在我们头顶上空，有数不尽的黑洞，虽然我们还无法直接探测到，但我们知道它们确实存在。 ????? 其实我们现在能肯定，并间接地观察到一个黑洞。 ????? 有人会问：“月亮绕着地球转，地球绕着太阳转，那太阳绕着什么转呢？”这是个很好的问题。大家都知道，我们的太阳处在银河系之中，银河系如同一个圆盘，并绕着中心的某个点在旋转。是什么有如此强的力量，能把数以千亿计的恒星束缚住，并绕着它旋转呢？答案只有一个——黑洞（这里涉及到暗物质，但我们暂时