学年论文黑洞的存在形成和结构的初探.doc

黑洞的存在形成和结构的初探 摘 要 黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。根据牛顿力学能量理论和相对论证明了黑洞的存在，同时通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在；黑洞有可能是由三种途径形成的。黑洞的结构是由奇点、振荡层、辐射层组成。 关键词：黑洞；史瓦西半径；结构 一、黑洞的存在形成过程 黑洞在现在人看来已经不是什么新名词了，但是黑洞是什么？黑洞是否存在？对于这个问题，许多人可能都不能回答。下面我们介绍一下黑洞：黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径（下面有介绍）小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 从万有引力定律可以知道，把一个物体从星球表面抛射到宇宙空间，需要有足够大的抛射速度。对于小质量的星体，这个速度不大。例如，对于火星的卫星火卫一，抛射速度只需5m/s。对于月亮，需要2.4km/s。对于地球、密度越大的星球，物体从它表面逃离所需的速度就越大，当星球的密度大到一定程度，以至于逃离速度大于光速时，光子就不能再从星球表面逃离。它们会被星球的万有引力拉回去，远方的观测者也就不可能看见这颗星了。 从牛顿力学的能量理论很容易算出这类暗星的形成条件。设光子质量为m，光速为c，星球的质量和半径分别为M和r。按照牛顿理论，从星球表面射出的光子的能量为 = 势能为 = 当它的动能小于势能时 光子不可能逃离星球。从上式可以算出暗星形成的条件 r （1） 这就是说，当一个星球的质量和半径之间满足上述关系时，这个星球发射的光将被万有引力拉回去，这颗星将成为一颗看不见的暗星。（1）式就是拉普拉斯等人给出的暗星条件。 然而几年后，光的干涉和衍射现象被发现，光的波动说战胜了微粒说。拉普拉斯等人在微粒说基础上得出的上述结论，不再被学术界重视，逐渐被人们淡忘了。 有趣的是，今天从广义相对论得出的黑洞条件，与当年拉普拉斯等人从牛顿理论给出的暗星条件完全相同。从今天的眼光看，上面的推导犯了两个错误，第一是把光子的动能写成了，第二是把广义相对论的时空弯曲当成了万有引力。这个错误互相抵消，最终却得到了正确的结论。由于广义相对论给出的黑洞条件的推导过程很复杂，这里就不多说了，有兴趣的可以看看。史瓦西半径是卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild、也有翻译做卡尔·史瓦兹旭尔得）于1915年针对广义相对论方程关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。下面我们给出史瓦西半径的公式的导出过程： 史瓦西半径的公式，其实是从物件逃逸速度的公式衍生而来。它 将物件的逃逸速度设为光速，配合万有引力常数及天体质量，便能得出其史瓦西半径。 　　Rs=2Gm/ 　　推导过程： 　　由 F=GmM/ 　　得知 r 越小 则F越大 　　而引力F 正比于 物体吸引落下速度V 　　且速度V最大值为C 　　求星体半径临界直(V=C之 r 临界直) ; 即史瓦西半径 　　由 F=ma=mg 得 GMm/ = mg 故 g = GM/ 由固定重力场位能得非固定重力场位能公式 　　a. 将 E=mgh 代换成 E=GMmh/ 且 h=r 故 E=GMm/r 表位能 　　b.列受星体吸引物质之速度与位能对应式 求得临界半径r(史瓦西半径) 　　m = GMm/r 　　做劳伦兹变换 　　m/= GMm/r 　　得到r = 2GM/ 　　当v=c 求r之临界直 　　则全式可得 　　Rs = 2GM/; 　　Rs为史瓦西半径 ; 　　左为史瓦西半径公式 (G为引力常数 M为恒星质量 C为光速) 　事实上，牛顿力学及广义相对论能导出相同结果，纯粹是巧合而已。 对于太阳史瓦西半径是2.9公里；对于地球,它等于0.88厘米. 史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可