《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第19节作者:
浅论物理 黑洞具体诞生过程用一个10倍太阳质量的恒星来说,在其十亿年寿命中,大部分时间在其中心进行氢聚变反应,在转化成氦的过程中产生的张力去抵抗自身的引力,这时气态半径可达太阳的五倍。逃逸速度约为每秒一千公里;当核能耗尽后,由于自身引力开始塌缩,当它半径缩小到三十公里时的逃逸速度就会增加到光速。而根据狭义相对论,物理界不可能有比光速更高的速度,这时连光都被拖曳住了,别的东西就更别想跑了。这便是黑洞。
20世纪60年代四大发现之一的类星体是所谓活跃星云的核心,也就是由于星云相撞或者其中心由于重力塌缩而形成巨大黑洞之后,又不断吸入大量物质所造成的现象。人们认为在其中心有质量约为太阳1亿倍的巨大黑洞。尽管它们离我们极其遥远,但由于不断大量散发着物质落入黑洞前,所发射出的巨大的能量,相当于每秒钟爆炸几十亿颗原子丨弹丨,所以仍然能被观测到。如今共发现了1500颗类星体。
迄今为止,已发现了11个星系级黑洞,它们的质量为200万~10亿个太阳质量。而黑洞的质量越大其能量也越大,其吞噬附近天体的速度就越快。
1994年2月27日发现的室女星座的M87星系中心存在质量相当于30 亿个太阳的黑洞。
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日期:2009-11-11 10:06:53
近几年有观测报告说在银河系中心似乎存在着超过100万个太阳质量的大黑洞。用伽玛射线能穿过气体及尘埃的阻挡,可找到这个位于银河系中心上方,长3500光年、宽4000光年的毁灭性灾难源。
加利福尼亚大学的天文学家也声称,银河系的中心很可能有一个黑洞存在,他们测到了星系中心能量巨大的射电源,而体积却非常小,周围有以每秒200千米速度绕银河系中心运动的气体流。离中心越近,气体流的速度越快。
天文学家在对天鹅座X-1进行研究中发现一个10倍于太阳质量的强X射线源,很可能就是黑洞。
美国科学家根据各种观测得出一个结论:宇宙中的每一个星系,包括我们的银河系在内都有自己的黑洞。每一个星系的黑洞都位于星系的正“中心”,多半情况下黑洞的质量跟该星系中所有其它天体的质量之和成正比。
目前宇宙中很多恒星已经烧尽了,黑洞的数目甚至比可见恒星的数目还要大得多。单拿银河系来说,有1千亿颗可见恒星,根据观察分析单凭这点质量并不能保证维持我们星系的转动速率,比它们还多的黑洞的额外引力的相加也在起着重要的作用。
再看一个悲剧,前不久研究人员发现B404CLJ天体双星系统中,十分清楚地看到螺旋状圆盘在一颗伴星中抛射出气体。天文学家惊奇地目睹了颇为壮观的双星系统抛射天体的宇宙奇观,正当惊讶得合不拢口的时候却发现另一颗伴星很快消失在黑洞的悲剧世界中,永远不会再现了。
而在大约一百亿年之后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽,到那时候宇宙中会有更多的黑洞。
黑洞的边界,又称为“事件视界”。黑洞被事件视界的球面所环绕。事件视界面却是一个单向膜,只允许进却不让出,对谁都如此。光线被捕入后也只能最终落入黑洞中心处的奇点内,该处具有威力无比的引力场,是一切物质包括宇宙在内的终结地。自黑洞形成以后事件视界的半径随着吞噬物质的增加而只增不减。一旦两个黑洞碰撞后,会合并成一个新黑洞,那么新的事件视界的面积要比两者事件视界面积的和要大。
1970年霍金提出了“黑洞无毛定理”,它阐述了黑洞最终必须演示成一种只能够旋转,但是不能够搏动的态。并且它的大小和形状,只能取决于本身的质量和转速,而与塌缩前的物质性质无任何关系。“黑洞无毛定理”使人们可以设置出黑洞的具体模型,它也意味着黑洞宣布以往历史信息已全部消失,不再有意义了。
1974年霍金研究了“不确定性原理”对黑洞的影响后,得出了令人吃惊的结论;为此他提出了叫做“霍金辐射”的观点。“霍金辐射”是讲从黑洞的事件视界发射出来的基本粒子的辐射;黑洞越小则黑洞辐射越大,而黑洞收缩得越快,随着黑洞最终蒸发并消失引起一个巨大的爆炸。也就是说,若加入量子理论,黑洞不是全黑的,它能辐射出些许电子、中子和其它粒子。这也就是关于“黑洞蒸发”的理论。
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日期:2009-11-12 09:40:45
按照这个理论,一个十亿吨质量的太初黑洞,有1200亿K温度,相当于一千万电子伏的能量,会以六十亿瓦的速率释放能量,这相当于六个大型核电站的输出。从长远来看宇宙中每个黑洞都将以这个方法蒸发掉。而对于大黑洞它需要的时间实在是太长了,具有太阳质量的黑洞会存活10^66年,太初黑洞需要蒸发100亿年。但所有黑洞最终都会把它们的所有质量辐射殆尽并且从此消失。黑洞越大,它的质量损失得越慢;质量越小,则其温度越高,发射率也高,比大黑洞更容易测到。猜想当黑洞的质量最后变得极小时,它终将会在一个巨大的相当于几百万颗氢弹爆炸的发射爆中消失殆尽。而一个星系级的巨大黑洞要花10^90年才能蒸发完。如果人类能驾驭黑洞,一个黑洞可开动十个大型发电站。但是一个十亿吨质量,体积如中子般大的小黑洞,在地球上是必然站不住而势必落入地心去的。
霍金蒸发原理是基于“不确定性原理”允许粒子在短距离内旅行得比光还快。这就使得粒子和辐射能穿过事件视界从黑洞逃逸。它们会出发到自身的微小的婴儿宇宙中去。这个婴儿宇宙可以通过虚时间,重新连接时空的我们的区域。但对空间旅行并没有什么用处。不过著名的天鹅座X-1就是因为会释放出X射线而根据霍金辐射原理被认定是黑洞的。
根据霍金辐射理论,有人推导出一种可称为“黑洞镜象”的数学模型——“白洞”。位于白洞中心的也是个奇点,球形白洞也有类似黑洞事件视界的封闭几何面。但白洞的时间箭头与黑洞相反,白洞只能抛出能量却不能吸收。这种理论曾在20世纪80年代热闹过一阵子,有人拿它来解释某些高能现象。如今对此人们已经淡漠了。
白洞出现的依据就是物理定律是时间对称的。如果存在东西能落进去而不能跑出来的叫做黑洞的物体;那就应该还存在东西能跑出来而不能落进去的其它物体,人们把后者称之为白洞。
白洞“只出不进”那么它的物质不会枯竭吗?如果不枯竭,那么这些物质又是从何而来呢?有人为此提出白洞与黑洞是相通的观点。它们之间的通道叫“蛀洞”或“虫洞”。正是这条通道把黑洞里的物质运到白洞去喷射出去。霍金认为白洞有“自发蒸发”现象,大白洞蒸发得慢,而小白洞在很短的时间就会蒸发干净。白洞也仅仅是一种推论。有人认为类星体的核心是白洞;也有干脆否认其存在的。
“虫洞”理论的出现,倒是给科学幻想小说家开辟了新天地,他们对此乐不可支,从而开辟了时空旅行的希望航线;甚至能回到过去把他那还没有结婚而面目可憎的老爹给一枪崩了。从理论上说穿越虫洞仍需大于光速,科学幻想家又在弯曲的时空中相邻近的两点之间,建起了“蛀洞”从而得到跨越相当大的时空距离的捷径;甚至还有一个美国宇航局斥资研究用“负物质”来控制、扩大虫洞直径。以便让达到直径10万公里这一宇宙飞船星际航行的最低安全宽度。但虫洞是纯理论的猜测。迄今为止既未能被观测到,也没有办法证明其存在。只是提出的时间已长达80多年了。大尺度蛀洞也是爱因斯坦广义相对论方程的一个解,它标志着一种空间和时间的几何结构。在这种结构中,宇宙的两个区域是由短而窄的咽喉状部分相连接。1916年施瓦兹奇尔德据此得到了施瓦兹奇尔德蛀洞,只是由于其引力太大,当人们离它还有相当距离时,已被引力撕成碎块,故这种蛀洞不能作为旅行通道。
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