隐形人读书会164期——《黑洞》总结

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1、本期读书会内容主要基于这两个关于黑洞的纪录片：探索频道——宇宙有道理：黑洞http://v.youku.com/v_show/id_XMjExNzc0NjI4.htmlBBC-视野系列之超大质量黑洞http://v.youku.com/v_show/id_XMjIzMjYyNDA=.html1、星空璀璨，自古以来引无数诗人学者赞叹不已，今日物理学要把星空拉回人间，甚至要深入星空之外那看不见的深渊中去。如此并没有破坏宇宙之美，反而揭示出宇宙更雄浑精巧的创造。自二十世纪相对论和量子力学的创立以来，物理学发生了翻天覆地的变化。特别是在宇宙学领域二者的结合取得了丰硕的成果，关于宇宙

2、创生和演化的“宇宙大爆炸”理论已成为我们理解宇宙的标准模型。而“黑洞”是现代宇宙学预言的最怪异的创造之一。它有巨大的引力，光线都不能逃脱，因此是“黑”的，但黑洞也会“蒸发”。它是巨大恒星生命终结后的产物，也许也是孕育新星系的种子。黑洞是隐形的，但它在宇宙中普遍存在，甚至就在我们的银河系中。黑洞吞噬一切，白洞吐出一切，或许还有虫洞将二者相连。黑洞是理解我们生存其中的宇宙的关键之一，它本身就是宇宙的一个缩影。霍金、彭罗斯等物理学家在《时间简史》《宇宙的最初三分钟》《时空本性》等一系列半科普类著作中给我们展示了神秘而奇妙的宇宙，包括黑洞，各种媒体上也有《宇宙大爆炸》《宇宙有道理》

3、等面向大众的介绍。本期读书会试图更简化的为大家介绍黑洞怪异性质背后的原理，而不用到让人望而却步的数学。2、如何理解黑洞是个什么东西，能否从常识角度来理解？我们知道，往天上扔个苹果，苹果会掉下来，砸到牛顿，从而发现万有引力。但是如果扔的太猛，苹果就能像月亮或者人造卫星一样，绕着地球飞，要达到这个目的，苹果扔出去时所需要的速度称为第一宇宙速度。如果扔得再快些，苹果甚至能够脱离地球的控制，这时的速度成为第二宇宙速度。以此类推，要跑出太阳系需要达到第三宇宙速度。以上可以看出，质量越大的天体，对周围的物体引力越大，物体逃离需要的速度越大。假如有一个天体，其引力使得物体需要光速才能逃离

4、，由于光速是宇宙的极限速度，所以可以说没有任何物体能够从该天体周围逃离，这样的天体就称为黑洞。3、从牛顿的经典物理学角度可以形象理解黑洞，但这样只能解释有质量的物体会掉进黑洞，而光是没有质量的，也会被黑洞吞掉，这就需要祭出爱因斯坦的看家本领相对论了。广义相对论认为，有质量的物体会使周围的时空扭曲，这种扭曲的表现形式就是引力。就像在一张软垫子上放个铅球，垫子会被压得陷下去一点，铅球就是天体，垫子就是时空。光线在时空中传播的时候，总是走直线，但是时空本身是弯曲的，所以看起来光线被弯曲了。原则上一切物体，太阳地球，包括我们自己，都会使周围的时空扭曲，但一般情况下，这种扭曲量太小，

5、所以我们不能借此证明第六感。但是黑洞使其周围时空弯曲得如此厉害，以至于形成一个闭合的圈，光沿着这个圈走，认为自己在走直线，实际上是在环绕黑洞。就像在地球上一直向东最后会环绕地球一圈回到原点一样。4、在《时间简史》中，身残志坚的物理学家霍金用“光锥”来描述时空扭曲现象。任何事件——比如太阳爆炸——都可看作四维时空中的一个点，即表示某时某地发生某事。以时间为纵轴，空间为横轴，则事件与时空中其它可能发生联系的时空可用四维的“过去光锥”和“未来光锥”来表示。整个光锥形似沙漏，过去光锥表示可以影响到太阳爆炸的时空范围，而未来光锥表示太阳爆炸可能影响到的时空范围，光锥之外的时空与太阳爆

6、炸没有任何联系。光锥的边缘，由极限速度光速来区分。比如，太阳爆炸一瞬间，地球处于与太阳同时但不同空间位置，所以处于光锥之外，所以不能得知太阳爆炸的消息，光需要8分钟才能传到地球，所以8分钟后地球才进入太阳的未来光锥中，看到太阳爆炸所发出的光。对正常的时空结构来说，光锥就是标准的锥形，但黑洞可以使时空扭曲，使光锥变成一个圆筒。边界以外光线可脱离，其边界上，光线即不能远离也不会靠近，只能绕着黑洞跑，其内部的物体则不能脱离。5、解释了黑洞是什么，接下来的问题是黑洞是如何形成的？近代物理的发展发现，宇宙中所有的力其实只有四种：引力、电磁力、强力、弱力。其中引力和电磁力在日常生活中都

7、很常见，后两种主要在原子核内起作用，强力是原子核内把质子和中子们粘在一起的力，弱力是原子核衰变时起作用的一种力（日本福岛核电站的辐射就是弱力在搞鬼）。这四种力中，引力最弱，在微观世界里引力几乎可以忽略不计。但是引力会随着质量的增大而增大，而宏观物体大部分都不带电，电磁力往往相互抵消，强力弱力在宏观世界也不起作用，所以引力反而成了主宰星体运行的关键因素。经过计算，如果地球被压缩到只有一个高尔夫球大小，质量不变的话，就会形成一个黑洞。为什么地球不变成黑洞？因为地球的引力还不够强大，有原子与原子间的电磁力在抵抗，两边平衡