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黑洞宇宙论永信贵宾会
2019-11-27 08:03

我们知道,黑洞的边界叫视界。视界是光线能否逃逸的分界线。在视界以内,由于光线不能逃出,所以看不见,得不到内部的任何讯息。 视界正是表面逃逸速度达到光速的星体尺度。经过数学技巧上的简化这个尺度r=2M为天体的质量。如果太阳的半径缩小到3千米,地球的半径缩小到1厘米,那么,它们表面上逃逸速度就达到了光速,即光线也不能逃逸出来了。由于这是德国物理学家卡尔·史瓦西在1915年首先计算出来的,所以叫史瓦西半径。 在我们的宇宙中,光有一个能达到的最大距离(目前认为不超过150亿光年),这不就是我们宇宙的史瓦西半径吗?由此推论,我们的宇宙本身就是一个很大的黑洞。这个黑洞的视界就是我们宇宙的空间边界,在空间边界以外如果有智慧生命,他们对我们宇宙内部的事一无所知。 如果我们的宇宙是一个黑洞,则在我们宇宙之外还有一个更大的宇宙,我们的宇宙仅仅是那个更大宇宙中的一个黑洞,当然,那个更大的宇宙也可能是一个黑洞。这就是黑洞套着黑洞了。

人类对黑洞的认识过程 在1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的著作《宇宙体系论》中就预言:如果它引力足够强,光速也不足以成为逃逸速度的话,我们可能会看不见它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的,这种观点是建立在牛顿引力理论基础上的,当时没有任何办法能够验证他的想法。直到100年后,爱因斯坦发表了广义相对论,它在基本概念上与牛顿引力理论完全不同。在广义相对论中,空间和时间构成了一个四维时空,时空的几何性质与物质,通过爱因斯坦引力方程联系起来,物质是引力的源,也决定了时空的弯曲。 广义相对论发表后不久,德国天文学家史瓦西立即对球对称的情况求出了爱因斯坦引力方程的解。按照这个解,质量为M的不旋转的球形天体存在一个临界半径Rg,半径内外时空性质迥然不同,而Rg定义为引力半径或史瓦西半径。同以前的拉普拉斯一样,他也不知道这种天体是否真地存在。这个问题直到1939年才得到证明,当时奥本海墨和一个学生共同证明:一颗冷却的、质量非常大的恒星,理论上必然要无限坍缩而变成黑洞,即黑洞可能是真实的天体。 黑洞的形成 目前认为黑洞是质量达太阳数十倍的巨型星球在其生涯的最后一刻发生大爆炸后形成的。在恒星内部的高温高压条件下,原子核进行着强烈的聚变反应,这种热核反应释放出来的核能与聚向中心的引力相抗衡,使恒星维持着稳定的状态,同时向外界辐射出巨大的光能和热能,时间长达几十亿、几百亿年。但稳定的热核反应不可能永远持续,当热核反应不能稳定进行时,恒星就走向毁灭。 衰老的恒星如何演变,取决于剩下的星核的质量。其中,小质量和中等质量星核的恒星将成为白矮星;而当剩下的星核的质量达到太阳质量的1.4倍时,其引力足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度,此时星核就成了一颗中子星;而当星核质量超过太阳质量的2—3倍时,再不会有任何力能够与引力抗衡,星体将不可避免地一直坍缩下去——理论上,最后成为体积为零、密度无穷大的点。 需要说明的是,以上黑洞的形成过程目前还只是天体物理理论的一种推测。 史瓦西半径任何天体都存在一个临界半径,即史瓦西半径Rg。在Rg的里面,时空弯曲得非常厉害,以致光都不能逃逸出来。按照狭义相对论:光速是任何物体可能达到的最大速度,因此也就没有任何别的物体能从史瓦西半径以内的区域逃出。史瓦西半径的数学表达式为Rg=2GM/c2其中c为光速,G为牛顿万有引力常数,M为质量。从这个数学表达式,我们可以看到史瓦西几何所具有的普遍性,因为它与恒星的类型无关,而只依赖一个参数——质量。因此按照公式可以计算任何一个球形天体的史瓦西半径的大小,比如太阳。像太阳这样质量的恒星,带入公式后算出史瓦西半径大约为2.95千米,即如果太阳被压缩进直径5.9千米的球内时,它将成为黑洞。而地球若成为黑洞,则地球上的一切物质,包括大气、海洋、山脉、河流和一切生物,要全部压缩到直径为1厘米的小球内。 视界视界是黑洞的边界,是黑洞表面距离中心半径为R的一个球面。因此它的半径依赖于黑洞的质量。视界是时空的分界,它将所有事件分为两类。在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙;而在视界以内,光线并不能自由地从一个物体传播到另一个物理,而是朝向中心集聚。而且进入视界的外来辐射也将继续进入黑洞,而不可能被反射出去。 奇点用视界包围的质量和体积计算的平均密度与质量的平方成反比,因此黑洞的质量越小,平均密度越大。当天体坍缩到越过视界时,引力仍占压倒性优势,它将继续向中心坍缩,天体的所有物质最后聚集在中心的一个点上。体积为零,质量虽然有限,但密度却无穷大,这个点就是奇点。引力规律天体的引力半径Rg与它的实际尺度R之比率Rg/R=2GM/,标志着该天体引力场的强弱:若Rg/R《l,则属于弱引力场;若Rg/R≤1,则属于强引力场。由此可见,大部分天体的引力场很弱,时空弯曲很小,牛顿引力理论完全适用;但黑洞引起的时空弯曲很大,必须用广义相对论处理。从以上列举的几个数字就可以理解,黑洞强大的引力,没有任何力量可以与之抗衡。

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