《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第18节作者:
浅论物理 霍金和彭罗斯根据他们的证明进一步指出:“时间向它自身弯曲的事实表明,必须存在奇性,也就是时空具有一个开端或者终结的地方。它在大约150亿年前的大爆炸处有一个开端,而且对于塌缩恒星以及任何落入塌缩恒星留下的黑洞中的东西它将到达一个终点。”
生生死死这一自然界的必然性规律是永恒的。就连宇宙也难以违背这一客观规律。没有任何一个恒星能够永远存活下来,恒星的燃料总有一天会燃烧完从而进入死亡阶段。质量在0.08~1.5倍太阳质量的小恒星燃烧结束后,由于其自身的引力还不足以导致塌缩产生,而凭电子之间“不相容原理”的相互排斥力支撑住自己的残体,从而收藏起锋芒变成了一种稳定的冷恒星——白矮星,猛一看白矮星的体积大大的减少了许多倍,其实不然,那只不过是它不得不收起其锋芒毕露的四射光柱,脱掉核反应炽热态保护罩而原形毕露而矣;也就是说它的真实体积并不会有大的变化。白矮星的半径仅为几千英哩,密度高达每立方英寸几百吨,引力在比地球大数十万倍。最后也正是这巨大的引力会再次将它彻底地埋葬在太空中:本来受此挫折已经冷静下来的白矮星,只要老老实实沿着自己的轨道运行也就相安无事了,凭着它那点余热也许还能发出些许暗淡的红光;可是不甘寂寞的白矮星,却凭借自己强大的引力不断偷取四周、尤其是相邻伴星的物质,一旦偷来的氢在表面达到满负荷时,温度逐渐高到足以引起氢核聚变反应时,只听一声巨响,白矮星顿时便被炸得粉身碎骨,这便是所谓的“新星”。此后烟消云散后便什么都看不见了。“新星”正是小质量恒星的最终归宿——消亡前的最后一炸。
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日期:2009-11-08 10:20:05
质量稍大些的恒星,大约为太阳质量的30倍的恒星,燃料燃烧尽了以后,命运还不如白矮星。它们自身巨大的引力压塌了自己,以至于本身原子中的电子也被压入质子而变成中子,失去原先核反应光柱的巨大热量的支撑,顿时塌了下去,决不仅仅是失去四射的光芒,而且立即脱了壳似的,变成半径仅有可怜的十英哩、密度却剧增至每立方英寸几亿吨的中子星,其心部就是由中子所组成。中子星亦以冷态表现,在宇宙中进行稳定的运行,但其最终结局却与白矮星如出一辙——以烟飞灰散而告终。与白矮星的不同之处是过程有所差异。中子星倒不是因为抢夺别的天体的物质,而是由于自身的引力足以令其自顾不暇,无法阻止自身塌缩。结果在无数次的塌缩与反弹激烈的往返进行中所引起的高温点燃了外层大气中的氢,再次引发了新的核聚变而导致最终的爆发,瞬间可达到1000亿颗恒星那么明亮,这就是人们所观察到的堪为观止的超新星;也是人类迄今为止所发现的最最激烈的天体爆发现象。这就是中子星消亡的过程。
质量更大的恒星,一般大于50个太阳质量以上,核燃料燃烧结束后,无任何爆炸过程,而是相当冷静地不断塌缩,最后只有一个结局——形成黑洞。
黑洞至少分为两类,一类是恒星级黑洞,另一类是星系级黑洞。恒星级黑洞较小,是由质量大于50个太阳质量的巨星演化成的。其自身燃料消耗殆尽便塌缩成直径15米至20千米的星体,最终变为黑洞。随后它穿梭在星际空间,将飞经的所有的地方所遇到的一切物质,从气体直至小行星全部吞噬掉,一点不剩地统统没收。
星系级黑洞的质量比恒星级黑洞大数百万乃至数十亿倍。它们一般藏匿于星系的正中心。最终所有的天体都要到它们那里去报到,它们也就成了整个宇宙史的最后见证人。宇宙中的一切最终将统一被吸入一个最大的黑洞中,成为一个密度无限大、体积为零的一个奇点而终结。
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日期:2009-11-09 09:17:47
前面所说到的恒星最终灭亡的各种爆发与宇宙大爆炸是截然相反的两回事,后者是宇宙的诞生,而前者却恰恰相反是它的逆过程,是宇宙正在走向死亡的过程。
需要说明的一点是:恒星的质量越大,其生存寿命也就越短。太阳目前还足够燃烧50多亿年;而十倍于太阳质量的恒星全部生命周期才十亿年;比它质量更大的恒星却可以在1亿年的时间内用尽燃料。这主要是因为大恒星的中心温度、压力高以至于其核聚变反应剧烈;并且质量大的恒星也必须要有更为剧烈的核反应,才能产生出足以克服自身巨大引力的膨胀力来防止塌缩;由此大恒星反倒比小恒星更早耗完燃料进入死亡期。
我们通常所说的黑洞的半径,是指它的引力半径,或者称之为“史瓦西半径”。它并不是黑洞真实表面半径,而是指观察黑洞时视线所能涉及的黑洞最外围的尺寸。因为黑洞里面连光线都逃逸不出来,我们根本无法去观察它核心的真实尺寸;在该半径以内是一片漆黑,不可能再有信号返回了。
从这个角度来看似乎对黑洞自身的密度并没有什么要求。因为它只要能达到在自己的引力范围不让任何物质逃逸就行了。为此,我们得到这么一个推论,那就是产生黑洞所要求的物质密度与黑洞质量的平方成反比。譬如,要产生太阳质量那么大的黑洞,需要物质的密度要达到每立方米1000亿亿亿千克,这相当于原子核密度的20倍。如果要产生10 亿个太阳质量那么样大的黑洞却只要求密度仅仅为每立方米10千克就行了,注意,这可是比水的密度还要小100倍!这似乎不可思议,但只要仔细想一下前面提到过的史瓦西半径就不难理解其中的道理了;实际上这个密度也是根据引力半径的一种计算值。
正确的理解应该是,黑洞中心必然是在巨大引力下不断塌缩形成的、致高密度的。它自身的质量及被其不断吸引进来的所有物质均在不断加强着它的引力,从而导致黑洞的核越来越小最终成为一个无限密度、体积为零的奇点。并且黑洞的(引力)半径却在不断地增加。前面例子中,好象密度小到几乎难以理解程度的10亿个太阳质量的黑洞。真正的描述是:该黑洞是一个极小极小的奇点,但它的史瓦西半径却又是大到令人心寒的程度,任何物质在如此大的范围内只要敢沾上点边,就会被悲剧地拖曳入并被撕得粉碎最终落入奇点。
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日期:2009-11-10 09:18:47
除了大质量的黑洞外,还应该考虑一下存在比太阳质量小很多的黑洞的可能性。因为它们的质量比强德拉塞卡极限——1.5倍太阳质量要低。而“强德拉塞卡极限”是讲:一个稳定的冷星的最大的可能的质量的临界值;而比这质量更大的冷星就会塌缩成一个黑洞。这样,小质量的恒星,在耗尽了自己的核燃料之后,仍然能支持住自己的引力而不会有引力塌缩产生。只有当受到非常巨大的压力压缩成极端紧密状态时,才能形成这种小质量黑洞。理论上一个巨大的氢弹便可以创造这样的条件。
惠勒计算结果表明,如果将全球海洋中的所有重水制成一个大氢弹,则它可以将中心的物质压缩到产生一个黑洞。不过这时它瞬间就要将地球吞没了。而比较现实的还是在早期的宇宙的高温和高压条件下产生这样小质量的黑洞。
这也就是霍金所讲的“太初黑洞”——在大爆炸后很短的时间内形成的黑洞。一座大山质量的黑洞,可由它对其它可见物质或宇宙膨胀的影响作为旁证被探测到。 它的半径才10^(-13)厘米,仅相当于一颗中子的尺寸。它若是掉到地球上,则谁也无法阻止它透过地面钻到地心中去。伽玛射线背景告诉我们,平均每立方光年不可能有多于300个太初黑洞。但是具体讲到它在银河系中的密度可就不得而知了,谁也难讲距我们10亿公里远的范围是否有太初黑洞。
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