宇宙的未解之谜—黑洞

《宇宙的未解之谜—黑洞》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、宇宙的未解之谜——黑洞　　按照近代物理学的观点，“黑洞”是由超中子星临界质量的重级恒星发生引力塌缩而形成。在渐近平坦的时空间中，其引力场强到能“吞食掉”任何物质（连光和电磁波也无法逃脱），故而这样的时空域被形象的称为“黑洞”。黑洞的存在，最早为牛顿力学所预言，后来广义相对论从理论上对其作出了进一步论证。从此，黑洞为全世界的物理学家和天文学家所瞩目。特别是近十年来，黑洞物理学，作为相对论天体物理学的一个新分支，又作为广义相对论的一个新分支活跃于科学舞台。然而，至今谁也没有确实观察到这种奇异的天体。天文学家把某些

2、天体说成是黑洞，论据却还不足；从某种意义上来讲，可以认为，“黑洞”仍是一个未解之谜。　　“黑洞”是根据广义相对论预言存在的天体，它凭着自身的引力把空间中的切“禁闭”起来。黑洞的大小若用质量相比较的话，那么具有太阳质量的黑洞，半径只有3公里。黑洞把一切物质吸入，连光都不可能逸出。事实上，当物质被吸入黑洞的“地平线”下之前，黑洞极强的引力场引起了超高速运动，由此释放出巨大能量。其原理与水力发电相似，在水力发电中，下落的势能转化为电能。对黑洞来说，因引力下落的能量由于摩擦转变为热能，并最终转变为光能。　　早年的牛顿

3、力学认为，当星球的半径小于一定的值时，即小于临界半径时即使时光也不能从星球的引力中逃逸出来。因此，这种星球不能像太阳那样向外部空间辐射出光及其它任何信号。光只能返回其表面被吸收，使我们看不到这种星球。这就是牛顿理论中的黑洞。之后一百多年的时间内，这一预言却没引起人们的注意。“光受到强引力场的作用”，也只是一种假设而已。直到1915年，才直接成了爱因斯坦提出的广义相对论中的一个结论。纯粹从广义相对论的角度来看，引力根本不必走出黑洞。广义相对论是一个局域理论，即时空中一点的场完全由在该点正与之以光速或低于光速相互

4、作用的事物所决定。如果一颗恒星坍缩成一个黑洞，其外部的引力场完全可以通过计算它变成黑洞以前的恒星的性质和外部引力场来获得。正如我们在掉入黑洞前的最后阶段所发出的光线将花费越来越长的时间以达到处于远处的观察者一样，恒星坍缩末期所发生事件的引力效应将花费越来越长的时间传播到遥远的外部世界。从这个意义上说，黑洞是一种“冰冻的恒星”：其引力场是“化石”场。黑洞的电磁场也是同样的。通常此类问题都冠以“引力”、假定的“时空扭曲”等术语来发问。但如果有类似于引力的东西用“引力粒子”来进行类似于引力的相互作用，它们怎么才能跨

5、过视界发生作用呢？广义相对论中不存在引力子，因为广义相对论不是一个量子理论，当它发展完全以后可能会成为量子引力理论的一部分。但纵然如此，它也不一定是最好的用来描述虚拟引力子产生的引力效应的理论。参见虚拟粒子对此的讨论。黑洞辐射现象向目前公认的物理理论提出了新的挑战。一颗塌缩前的恒星，几乎全由正粒子组成，当它的质量超过中子星质量的上限时，它将在强大的自重力作用下，一直塌缩下去而成为黑洞。因此，黑洞的确代表着恒星的“死亡”。由于“死亡”了的经典黑洞的温度极低，所以它是不会辐射的。然而，Hawking的黑洞蒸发理论

6、却告诉我们在宇宙中能够存在一种微黑洞，它会“蒸发”，它将在一次大爆炸中化为炽热的星云。就像恩格斯的著名预言那样：“死去的太阳转变为炽热的星云”。一个崭新的世界，在旧世界的末日中诞生。天才的黑洞物理学家们为我们勾划出了这样一幅极为生动的宇宙大循环理论图像。按照恒星演化理论，认为黑洞是这样形成的：恒星演化到晚期，它内部的热核燃料烧完之后，由于引力塌缩作用，晚期恒星将塌缩下去。当它的质量M＜1.4M日时，它将成为白矮星，白矮星内部的电子简并压力抗衡了引力，使塌缩终止；当它的质量，1.4M日＜M＜3M日时，它成为中子

7、星，中子星内部的中子简并压力抗衡了引力，使塌缩终止；当它的质量M≥3M日时，不存在可能的平衡状态，它只能继续塌缩下去而形成黑洞。还有其他宇宙过程可以形成黑洞。例如在形成星系、星系团时，一部分物质不能形成平衡的天体，发生引力塌缩，可形成质量为108～1011M日的黑洞，现在以“不发光的物质”形式存在的可能性较大。还如在高密星团和星子核内的动能急剧失散时，也可能发生引力塌缩形成黑洞。甚至还有人认为，在很早以前，天体还没有形成时，黑洞就可能存在了，这些黑洞叫做“原始微黑洞”。我国物理学家方励之等人提出，“反常中子星

8、”可能是形成黑洞之前的前兆情况。国外还有人提出“夸克”星。　根据广义相对论预言，在浩瀚的宇宙中有许多黑洞存在。因此，人们在对黑洞进行理论研究的同时，广泛开展了在茫茫宇宙中寻觅、观察黑洞的工作。连任何信号都不可能发出的黑洞，在这么广袤的宇宙里寻找起来十分的困难。更何况冷却了的白矮星和中子星也同样可认作为暗天体存在，观测时，它们与黑洞很难区别。黑洞虽然很难直接观察到，但理论预示，由于中子星具有临界质量，