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身邊的科學(xué):什么是黑洞?

來源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2018-02-02 09:04:36

智能內(nèi)容

  黑洞中隱匿著巨大的引力場,這種引力大到任何東西,甚至連光,都難逃黑洞的手掌心。黑洞不讓任何其邊界以內(nèi)的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故。我們無法通過光的反射來觀察它,只能通過受其影響的周圍物體來間接了解黑洞。據(jù)猜測,黑洞是死亡恒星或爆炸氣團(tuán)的剩余物,是在特殊的大質(zhì)量超巨星坍塌收縮時(shí)產(chǎn)生的。

  因?yàn)楹诙词遣豢梢姷模杂腥艘恢敝靡,黑洞是否真的存在。如果真的存在,它們到底在哪?

  黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程;恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過程立即停止,被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星球。但在黑洞情況下,由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。任何靠近它的物體都會被它吸進(jìn)去,黑洞就變得像真空吸塵器一樣

  為了理解黑洞的動(dòng)力學(xué)和理解它們是怎樣使內(nèi)部的所有事物逃不出邊界,我們需要討論廣義相對論。廣義相對論是愛因斯坦創(chuàng)建的引力學(xué)說,適用于行星、恒星,也適用于黑洞。愛因斯坦在1916年提出來的這一學(xué)說,說明空間和時(shí)間是怎樣因大質(zhì)量物體的存在而發(fā)生畸變。簡言之,廣義相對論說物質(zhì)彎曲了空間,而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運(yùn)動(dòng)。

  讓我們看一看愛因斯坦的模型是怎樣工作的。首先,考慮時(shí)間(空間的三維是長、寬、高)是現(xiàn)實(shí)世界中的第四維(雖然難于在平常的三個(gè)方向之外再畫出一個(gè)方向,但我們可以盡力去想象)。其次,考慮時(shí)空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。

  愛因斯坦的學(xué)說認(rèn)為質(zhì)量使時(shí)空彎曲。我們不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景:石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些,雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的,但其中央仍稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊,則將產(chǎn)生更大的效果,使床面下沉得更多。事實(shí)上,石頭越多,彈簧床面彎曲得越厲害。

  同樣的道理,宇宙中的大質(zhì)量物體會使宇宙結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣,質(zhì)量比太陽大得多的天體比等于或小于一個(gè)太陽質(zhì)量的天體使空間彎曲得厲害得多。

  如果一個(gè)網(wǎng)球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動(dòng),它將沿直線前進(jìn)。反之,如果它經(jīng)過一個(gè)下凹的地方,則它的路徑呈弧形。同理,天體穿行時(shí)空的平坦區(qū)域時(shí)繼續(xù)沿直線前進(jìn),而那些穿越彎曲區(qū)域的天體將沿彎曲的軌跡前進(jìn)。

  現(xiàn)在再來看看黑洞對于其周圍的時(shí)空區(qū)域的影響。設(shè)想在彈簧床面上放置一塊質(zhì)量非常大的石頭代表密度極大的黑洞。自然,石頭將大大地影響床面,不僅會使其表面彎曲下陷,還可能使床面發(fā)生斷裂。類似的情形同樣可以宇宙出現(xiàn),若宇宙中存在黑洞,則該處的宇宙結(jié)構(gòu)將被撕裂。這種時(shí)空結(jié)構(gòu)的破裂叫做時(shí)空的奇異性或奇點(diǎn)。

  現(xiàn)在我們來看看為什么任何東西都不能從黑洞逃逸出去。正如一個(gè)滾過彈簧床面的網(wǎng)球,會掉進(jìn)大石頭形成的深洞一樣,一個(gè)經(jīng)過黑洞的物體也會被其引力陷阱所捕獲。而且,若要挽救運(yùn)氣不佳的物體需要無窮大的能量。

  我們已經(jīng)說過,沒有任何能進(jìn)入黑洞而再逃離它的東西。但科學(xué)家認(rèn)為黑洞會緩慢地釋放其能量。著名的英國物理學(xué)家霍金在1974年證明黑洞有一個(gè)不為零的溫度,有一個(gè)比其周圍環(huán)境要高一些的溫度。依照物理學(xué)原理,一切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量,同樣黑洞也不例外。一個(gè)黑洞會持續(xù)幾百萬萬億年散發(fā)能量,黑洞釋放能量稱為:霍金輻射。黑洞散盡所有能量就會消失。

  處于時(shí)間與空間之間的黑洞,使時(shí)間放慢腳步,使空間變得有彈性,同時(shí)吞進(jìn)所有經(jīng)過它的一切。1969年,美國物理學(xué)家約翰阿提惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”。

  我們都知道因?yàn)楹诙床荒芊瓷涔,所以看不見。在我們的腦海中黑洞可能是遙遠(yuǎn)而又漆黑的。但英國著名物理學(xué)家霍金認(rèn)為黑洞并不如大多數(shù)人想象中那樣黑。通過科學(xué)家的觀測,黑洞周圍存在輻射,而且很可能來自于黑洞,也就是說,黑洞可能并沒有想象中那樣黑。

  霍金指出黑洞的放射性物質(zhì)來源是一種實(shí)粒子,這些粒子在太空中成對產(chǎn)生,不遵從通常的物理定律。而且這些粒子發(fā)生碰撞后,有的就會消失在茫茫太空中。一般說來,可能直到這些粒子消失時(shí),我們都未曾有機(jī)會看到它們。

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