論黑洞

摘要：黑洞（Black

hole）是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效。

黑洞是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發生引力坍縮產生的。黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，它產生的引力場極為強勁，以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界（臨界點）內，便再無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光（電磁波）也逃逸不出。

黑洞無法直接觀測，但可以借由間接方式得知其存在與質量，并且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。并且，我們可以根據史瓦西半徑，可計算出一個天體要維持形態的最小半徑，根據黑洞的半徑可反推算其質量。

一、黑洞的物質介紹

“黑洞”這個名字，總是令人遐想聯翩。那么，究竟什么是“黑洞”呢？

這個名字的第一個字“黑”，表明它不會向外界發射或反射任何光線，也不會發射或反射其他形式的電磁波——無論是波長最長的無線電波還是波長最短的γ射線。因此人們無法看見它，它絕對是“黑”的。第二個字“洞”，說的是任何東西只要一進入它的邊界，就休想再溜出去了，它活像一個真正的“無底洞”。[3]

也許有人會想：假如我用一只超級巨大的探照燈對準黑洞照過去，像照妖鏡照住“妖怪”那樣，黑洞不就“現原形”了嗎？錯了！射向黑洞的光無論有多強，都會被黑洞全部“吞噬”，不會有一點反射。這個“無底洞”，照樣還是那么“黑”。把這種奇特的天體稱為“黑洞”，真是太妙了。黑洞并不是科學家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國科學家拉普拉斯就根據牛頓建立的力學理論推測：“一個直徑像地球、密度為太陽250倍的發光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達我們這里。”

這話是什么意思呢？我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進入行星際空間，速度至少要達到11.2千米/秒，否則它就永遠逃不出地球引力的控制。這11.2千米/秒的速度，就是任何物體從地球引力場中“逃逸”出去所需的最低速度，稱為地球的“逃逸速度”。太陽的引力比地球引力強大得多，因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多，為618千米/秒。再進一步，要是一個天體的逃逸速度達到了光速，那么就連光線也不可能從它那里逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞，拉普拉斯所說的那個恒星便是生動的一例。光是宇宙間跑得最快的東西，既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西也就休想逃出去了。

隨著科學的發展，人們對黑洞的認識也越來越深入。如今，關于黑洞的更準確的說法是：“黑洞是廣義相對論預言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個封閉的邊界，稱為黑洞的‘視界’；外界的物質和輻射可以進入視界，視界內的東西卻不能逃逸到外面去。”正因為黑洞如此“只進不出、貪得無厭”，所以才有了一個不雅的外號：“太空中最自私的怪物”。

不過，事情也不是那么簡單。出乎人們意料，黑洞這個“怪物”，有時候竟然還十分“慷慨”。這又是怎么一回事呢？原來，在20世紀70年代，英國科學家霍金等人以量子力學為基礎，對黑洞作了更縝密的考察，結果發現黑洞會像“蒸發”那樣穩定地往外發射粒子。考慮到這種“蒸發”，黑洞就不再是絕對“黑”的了。霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且質量越小的黑洞溫度就越高，質量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發也很微弱；小黑洞的溫度很高，蒸發也很猛烈，類似劇烈的爆發。一個質量像太陽那么大的黑洞，大約需要一年才能蒸發殆盡；但是質量和一顆小行星相當的小黑洞，竟然會在一秒鐘內就蒸發得干干凈凈！

二、黑洞的形成根據廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。

等恒星的半徑小到一特定值(天文學上叫“史瓦西半徑”)時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的，當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

三、光被吸收的原因

光的發展可以分為幾個時期，萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期以及現代光學時期。

17世紀，意大利格里馬第首先得到光的衍射現象。他發現點光源的情況下，一根直桿的影子比假設光沿直線傳播應有的寬度稍微大一點，也就是說光不嚴格安智賢傳播，而會繞過障礙物前進。接著1672-165年間胡克也觀察到衍射現象。并且和玻意耳獨立研究了薄膜產生的彩色干涉條紋。這些都是光的波動性的萌芽。

在1801年楊氏通過著名的“楊氏雙縫干涉實驗”滿意地揭示了白光下薄膜顏色的由來。還第一次測定了光的波長。1815年菲尼耳補充了惠更斯原理。形成了人們熟知的惠更斯-菲尼耳原理，運用這個原理不僅僅能圓滿地解釋光在均勻的各向同性的介質中直線傳播，還能解釋光通過障礙物時發生的衍射現象。因此，它成為了波動光學的一個重要原理。

1900年普克郎引進量子概念后，解決了波動理論不能解釋的黑體輻射問題，并且得到了黑體輻射公式。他的理論開始突破經典物理在圍觀的束縛。打開了認識光的微粒性的途徑。第一個完全肯定光除了波動性還有粒子性的是愛因斯坦在1905年發表的論文中。指出電磁輻射不僅被發射和吸收是以能量的微粒的形式出現而且以是速度c在空間當中運動。即光以微粒的形式存在。因此，即使是光，也無法逃逸出黑洞。

四、黑洞的觀測

黑洞的確無法觀測到,但是黑洞引力產生的現象卻可以被科學家觀測到：（1）雙星吸積,即黑洞對周圍恒星的吸積現象是可以被觀測的.（2）黑洞接近無限大的引力可以某恒星的光線彎曲很厲害產生的引力透鏡讓我們看到恒星的全貌,即使該恒星背面我們沒有黑洞幫忙是永遠也看不到的.（3）黑洞吸積物質會產生非常強大的X射線暴.我們的科學家就是通過這些現象再加以計算推斷就知道是不是黑洞了.許多黑洞的四周都環繞著一些天體，通過觀察這些天體的行為，可以推斷出黑洞的存在。然后，使用所猜測黑洞四周的天體運動測量值便可以計算黑洞質量。

您要尋找的就是那些運動表現似乎受到周圍巨大質量影響的星體或氣盤。例如，倘若某個可見星體或氣盤在不穩定地運動或旋轉，但又找不到附近有導致這種運動的可見原因。并且這種不明因素產生了某種效應，而這種效應似乎是由質量比太陽大三倍的天體（由于質量太大而不可能是中子星）造成的。那么，這種運動就有可能是黑洞導致的。然后，可以通過觀測黑洞對可見天體產生的效應來估算黑洞質量。

例如，在星系NGC

4261的核心，有一個旋轉的棕色螺旋形吸積盤。該吸積盤的大小與太陽系相當，但重量是太陽的12億倍。既然存在質量如此巨大的吸積盤，就暗示著它的內部可能有一個黑洞。

五、黑洞質量的計算

根根據史瓦西半徑，可計算出一個天體要維持形態的最小半徑，根據黑洞的半徑可反推算其質量，Rs=2Gm/c^2

推導過程：

由

F=GmM/r^2

得知

r

越小

則F越大

而引力F

正比于

物體吸引落下速度V

且速度V最大值為c

求星體半徑臨界直(V=c之

r

臨界直)

;

即史瓦西半徑

由

F=ma=mg

得

GMm/r^2

=

mg

故

g

=

GM/r^2

由固定重力場位能得非固定重力場位能公式

a.將

E=mgh

代換成E=GMmh/r^2

且

h=r

故

E=GMm/r

表位能

b.列受星體吸引物質之速度與位能對應式

求得臨界半徑r(史瓦西半徑)

1/2

mv^2

=

GMm/r

做

洛倫茲

變換

1/2

mv^2/√(1-v^2/c^2)=

GMm/r√(1-v^2/c^2)

得到r

=

2GM/V^2

當v=c

求r之臨界直

則全式可得

Rs

=

2GM/c^2

;

Rs為史瓦西半徑

;

左為史瓦西半徑公式

(G為引力常數

M為恒星質量

c為光速)

如果僅從史瓦西半徑

看，所有半徑尺度和質量大小的黑洞的存在都是可能的參考文獻：

《光學教程》姚啟鈞著

《時間簡史》霍金著

《果殼中的宇宙》霍金著

《廣義相對論》愛因斯坦著

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END

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