黑洞是啥？

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黑洞是啥？

★黑洞是啥？从上个世纪著名物理学家爱因斯坦、史瓦西等人联合提出来至今没有一个明确解释。仅仅只是物理学和天文学理论上的研究的一个热点。

天文学家知道。黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。同时也是宇宙中密度最大的天体。迄今为止地球人类科学家发现黑洞给人们的第一印象就是“恐怖”。它能够吞噬宇宙中的一切物质。其引力强大到光都无法逃脱。知道黑洞它是个隐身的宇宙掠夺者。

提及黑洞很容易让人望文生义的。想象成一个大黑窟窿。其实不然。所谓的黑洞并不是人们理解的那样。

普通阅读者如果想了解黑洞。就得知道爱因斯坦的狭义相对论、广义相对论。爱因斯坦从狭义相对论中推导出的最著名方程质能方程：

E=mc²见下图所示

这个方程由三部分组成。（1）E是能量。位于方程的一边。表示系统的总能量；（2）m是质量。与能量存在联系；（3）c²是光速的平方。使能量和质量等价的换算因子。

这个质能方程等式彻底改变了我们对世界的认识。正如爱因斯坦自己说的：“这个方程遵循狭义相对论。质量和能量都是同一事物的不同表现形式。对于一般人而言。这是一个不太熟悉的概念。

直到1916年。德国科学家史瓦西在枪林弹雨的战壕里。发现了爱因斯坦方程对大质量恒星的精确解。后来爱因斯坦这个解。计算围绕太阳引力。又重新发现一百年前（1783年）的英国科学家约翰.米歇尔提出的黑洞假说。

如果说相对论因为太高深莫测。还不能被大众所了解。那么哈勃定律（在物理宇宙学里。指遥远星系的退行速度与它们和地球的距离成正比）则因为出自实验室物理很好理解。这两大理论就构成了宇宙学的基础理论。

★正是这两大宇宙学理论,让人们发现了黑洞, 对于黑洞的研究还有很多其他的物理理论,比如, 电磁学、钱德拉塞卡极限、史瓦西半径、奇点理论 等,所有这些理论都为完美解释宇宙天体的变化做 出了贡献。

以上理论的基础都离不开引力、电磁力等力的相互作用,爱因斯坦曾提出了大统一理论。后来的科学家也是基于这种思想来对宇宙进行研究。而黑洞所表现出来的时空维度正好符合科学家对宇宙秘密的探究。科学家通过对黑洞的研究又提出了白洞 与虫洞的假设,如果黑洞完全被解密,也许人类可以穿梭于不同的时空,想想这样的前景都是让人振奋的。

★霍金认为:黑洞并不是孤立 存在的,与其相对应就是白 洞。黑白洞双生共存,两者相当于一条通道的两个口, 如果你不幸被黑洞吸了进去,你有可能去到另一个宇宙空间。或许,未来某一天,通过黑洞去旅行,也不是没有可能的。

★黑洞连每秒钟30万千米都逃脱不了它的引力。所以科学家们无法通过光的反射来观察它。只能够通过受其影响的周围物体来间接了解它。这就是黑洞由来。据科学家猜测。黑洞是死亡的恒星的残余物。是在特殊的大质量超巨星。坍塌收缩时产生的。黑洞的形成与中子星类似。不过中子星在黑洞面前就是“小巫见大巫”。中子星也是一个极其变态的天体。每立方厘米质量高达一亿吨。地球上所有人类的质量约等于一立方厘米的中子星物质。

当一个超大质量恒星死亡时。由重力崩溃而发生超新星爆炸。强大的压力使物质结构发生巨大变化。通过不断的压缩。最终留下一个小而致密的核心。如果核心的质量是太阳质量的3倍以上。最终它会成为一个黑洞。但从数学角度来看。任何一个有质量的物体。都能变成一个黑洞。

★科学家们按照它们的组成来划分。黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞。二是物理黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础。也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成。具有巨大的质量。它比起暗能量黑洞来说体积非常小。它甚至可以缩小到一个奇点。

双星黑洞。它是由两颗围绕着共同的重心旋转的恒星组成。对于其中一颗来说。另一颗就是伴星。最后来看超大质量黑洞。超大质量黑洞是一种黑洞。其质量是10-10万倍的太阳质量。

旋转黑洞又称为克尔黑洞。它有两个视界和两个无限红移面。而且这四个面并不重合。视界才是黑洞的边界。是指任何物质（经典物理范围内）都无法逃脱的边界。

还有史瓦西黑洞和不旋转带电黑洞。不旋转黑洞也称为R-N黑洞。它是史瓦西黑洞的推广。它不具有角动量。也就是说不旋转。但它是带电的。

知足常乐2021.12.30日晚于上海

其他观点：

经过漫长的等待。在全球200多位科学家的努力之下。世界上第一张黑洞照片终于出来啦。

　　发布会中。公布的照片长这样下面这样。圆圆的。红红的。好像还有点糊。

　　发布会公布黑洞照片

　　这张照片要怎么看呢？让超模君带你去看一下。

　　知识点一：黑洞本体看不见

　　知识点二：周边的红色是经过处理的

　　知识点三：光圈是非对称的

　　知识点四：这张照片是拼凑出来的

　　最后。最重要的是。爱因斯坦百年前（1915年）提出的广义相对论。通过这次照片证明。它是对的！

最早的黑洞概念

虽然黑洞这个名词是20世纪才提出。但是早在18世纪末。英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯就曾预言过这种神秘天体的存在。

1783年。米歇尔在英国皇家学会做了一场报告。他提出了一个观点：有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体。也就是所谓的“暗星”。

无独有偶。1796年。数学家拉普拉斯所撰写的《宇宙体系论》中也指出了存在暗星的可能性。

拉普拉斯

那米歇尔与拉普拉斯所说的暗星是个什么概念呢？让我们从一个简单的思想实验说起。

如果你站着一座高楼的楼顶。沿水平方向扔出一块石头；过一段时间后。这块石头就会落回地面。然后。你越发用力地扔石头。随着这块石头的初速度不断增大。它落回地面的时间也会越来越晚。如果你给这块石头的初速度超过了7.9km/s。它就不会再落地了。而会像地球卫星一样绕着地球旋转。这还没有完。因为你还可以继续提高石头的初速度。如果这个初速度超过了11.2km/s。它就可以挣脱地球引力的束缚并离地球而去。这个能挣脱地球引力束缚的速度。就是地球表面的逃逸速度。

一个天体表面的逃逸速度。只取决于这个天体的质量和半径。如果天体的半径固定不变。其表面的逃逸速度会随着天体质量的增大而增大；反之。如果天体的质量固定不变。其表面的逃逸速度会随着天体半径的减小而增大。

也正是这个非常简单的逃逸速度。催生了暗星的概念。可惜这个暗星理论提出没多久。就遭到了当头一棒。

要解释暗星理论遭遇了怎样的打击。我们需要先介绍一个困扰人类好几百年的超级难题：光到底是什么东西？

光是什么？

关于光的本性。史上曾经出现过两大学派：其中一派是以牛顿为代表的粒子说。认为光由某种坚硬的粒子构成；另一派是以惠更斯为代表的波动说。认为光是某种介质的波动。

但由于牛顿的巨大威望。在整个17世纪中。光的粒子说占据了上风。也正是基于光的粒子说。米歇尔和拉普拉斯才把逃逸速度和光速联系在一起。进而提出了暗星理论。

但19世纪初。英国著名物理学家托马斯·杨做了一个实验。把原本高高在上的粒子说打入了万丈深渊。

托马斯·杨

这就是著名的杨氏双缝实验。

让一束光。从左到右先通过一个有一条狭缝的挡板S1。再通过一个有两条狭缝的挡板S2。最后照到一个接受屏F上。从理论上讲。如果光真由粒子构成。由于中间那两条狭缝的遮挡。右边的接受屏上将只会出现两条狭缝形状的亮线。

不过在实际做实验的时候。托马斯·杨发现在被挡板遮住的区域内。同样出现了很多明暗相间的条纹。

换句话说。光并非一直走直线。而在行进的过程中发生了拐弯。这就不是粒子能做到的事了。必须是波才可以。换言之。杨氏双缝实验发现了一个只能用波动说、而不能用粒子说来解释的现象。

这对暗星理论而言也是一个大噩耗。因为引力只能作用在光粒子上。而无法作用于光波。

既然理论不能成立。拉普拉斯也在1808年。他对《宇宙体系论》进行了再版。并且删掉了所有关于暗星的内容。

暗星理论重出江湖

从那以后。暗星理论早已被人遗忘在历史的垃圾堆。

但在20世纪初。故事又发生了反转。

当时德国物理学家普朗克和爱因斯坦发现。同样存在必须用粒子说、而不能用波动说解释的现象。

也就是光其实既是一种粒子。又是一种波。这就是所谓的波粒二象性。

1915年12月。一位叫卡尔·史瓦西的天文学家注意到《德国科学院院刊》上的一篇文章提出了一个全新的理论。那就是爱因斯坦的广义相对论。

卡尔·史瓦西

广义相对论有一个最核心的方程。叫爱因斯坦引力场方程。而且此方程非常复杂。爱因斯坦本人也无法找到它的精确解……

史瓦西一下子就对这个公式感了兴趣。只花了几天的时间。就快刀斩乱麻地找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解。那就是著名的史瓦西解。

史瓦西解描述了一个有质量、无转动、无电荷的球对称天体。其周围的时空具有怎样的几何特征。

基于这个史瓦西解。史瓦西又发现了一件意义重大的事情。如果一个质量为M的球形天体。收缩到一个特定的范围以内。光就无法再从它的表面逃逸。

换句话说。如果一个球形天体的半径小于一个特定的数值。它就会变成一个连光也跑不出去的太空监狱。

这个特定的数值就是所谓的史瓦西半径。其大小为R=2GM/c^2。

其中牛顿引力常数G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2。而光速c=2.998×10^{8}·m/s。

如果把太阳的质量（即1.989×10^{30}kg）带入此公式。可以算出太阳的史瓦西半径约为2954米；如果把地球的质量（即5.972×10^{24}kg）带入此公式。可以算出地球的史瓦西半径约为8.869毫米。

也就是说。如果太阳的半径缩小到2954米。或者地球的半径缩小到8.869毫米。就会变成连光都能囚禁的恐怖监狱。

史瓦西的发现让沉寂了100多年的暗星理论得以复活。一个天体要是坍缩到史瓦西半径以内。就会变成一颗永远也看不到的暗星。

但是爱因斯坦和爱丁顿坚决反对这样的可能性。

他们认为。史瓦西解只是一场纯粹的数学游戏；在真实的物理世界中。根本不存在半径小于史瓦西半径的天体。

按照爱丁顿的说法。一定存在某种机制。阻止天体塌缩到史瓦西半径以内。

由于爱因斯坦和爱丁顿的巨大威望。很长一段时间。这种看法都是天文学界的主流。

黑洞名字的由来

前面我们有说到。米歇尔和拉普拉斯管这种太空监狱叫“暗星”。

到了20世纪中叶。天文学界则称它为“引力完全塌缩天体”。

但许多人认为。这两个名字都不够理想：前者不够清晰。而后者又过于拗口。

在1967年底的一次学术会议上。来自是美国著名物理学家约翰·惠勒首次把这种连光都逃不出去的太空监狱称为“黑洞”。

约翰·惠勒

这个名字。很快就以它的简洁和神秘。得到了世界各国天文学家的认可。

但法国天文界却死活也不同意。因为他们觉得黑洞这个名字过于色情。

有了名字以后。黑洞的研究变得越来越热门。最终成为了天文学最大的热点之一。

人们利用理论物理的工具。对黑洞进行了大量的研究。而这些研究后来又极大地促进了理论物理的发展。于是才有了今天发布的人类史上第一张黑洞照片。

其他观点：

谢邀:

黑洞就是一个星体。由于光折射而成。

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