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黑洞里面是什么 表面不是黑色的 黑洞也不是洞

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发表于 2016-9-25 22:21:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
科学家早就说过了,黑洞不是洞,黑洞表面不是黑色的,那么黑洞里面是什么呢?黑洞有一个比光速还大的逃离速度(escape velocity),由于没有东西能够比它还快,因此没有东西能够逃离黑洞。这是黑洞最简单的力学解释。可是一旦你加入热动力学和量子力学到这个混合物,事情就变得更混乱了。
有鉴于此,物理学家史蒂芬霍金(Stephen Hawking)在1974年提出黑洞实际上不是黑的假设,反而,它们放射出辐射、损失能量、而且会随着时间萎缩。然而,由于辐射量太小,以至于无法在天文物理学上的黑洞被观察到。因此,我们要如何来测试这个想法呢?

黑洞里面是什么?黑洞那些你不知道的秘密!

关于黑洞你不知道的事情,黑洞连接另一个世界?黑洞里面是什么很多人都在考虑这个问题,就让我们来看一看那些关于黑洞你不知道的事情。自从现代广义相对论诞生以来,黑洞便被科学家深深痴迷,从爱因斯坦到霍金,天体物理学家一直试图揭开它的神秘外纱,即使已经有多种探测设备被应用于黑洞的探测,但人类对于这个未曾谋面的天体仍有许多未解之处。
黑洞里是什么?  

  黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。
  但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高密度而产生的力量,使得任何靠近黑洞边界的物体都会被它吸进去,就连光都无法逃离。

  黑洞边界充满了能量,边界的量子效应产生了炽热粒子流,并向周围的宇宙空间辐射开来,这就是所谓的“霍金辐射”,这是以著名物理学家史蒂芬·霍金名字命名的。在足够长的时间内,黑洞将辐射消耗完自身的全部质量,并随之消失。  
  “简单来说,黑洞就是引力引起的坍缩。”青年科幻作家、全球华语科幻星云奖得主江波向记者解释道:“我们的物质是由电磁力支撑的,引力大到一定程度,连电磁力都抵抗不住了,物质就坍缩,极端的情况就是黑洞。”

  由于人们无法直接观察到黑洞,物理学家只能对它内部结构提出各种猜想。天体物理学家认为,黑洞中并不是空空如也,而是充满了大量的物质,不管物质的来源如何,它都会被推挤到一个密度无限大的点上。这个点便叫做“奇点”。
  事实上,奇点的体积无限小、密度却无限大。奇点周围有一块黑暗区域,也就是黑洞的尺寸,是由它所产生的引力大小来衡量的。离黑洞很远的时候,光可以像往常那样自由穿梭,照亮它途经的天空。而靠近黑洞后,引力变得越来越大,最终,即使跑的像光那样快也无法逃离黑洞的引力。这就是为什么奇点四周有一块黑暗区域的原因。
  那个由于引力巨大以至光线也无法逃脱的边界,我们叫它“视界”。天体物理学家表示:“要知道黑洞里面是什么,我们需要有什么东西从视界里出来,并让我们用望远镜看到。对天文学家来说,要找到这样一个东西,最简单的就是光,不过黑洞连光都逃不出,因而我们无法获得任何信息。”


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来自以色列理工学院(Israel Institute of Technology)的Jeff Steinhauer教授,不只是发现到一个方法来测试,也在发表于自然物理学(Nautre Physics)期刊的一篇新论文中,揭露有史以来最强烈的证据。这个黑洞辐射,现在知道是霍金辐射(Hawking radiation),是非常真实的。

Steinhauer建构出一个听觉黑洞(acoustic black hole),一个捕捉器有远大于声音粒子(声子)能量的特定频率,只能够以音速移动。
Steinhauer教授说:“如果在黑洞里有一粒声子(phonon),它无法对抗流动,因为流动的速度比音速还快。就像一个人尝试在水流中逆泳,如果水流速度快于游泳的人,游泳的人会往后而不是向前。”


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史蒂芬霍金在1974年提出黑洞实际上不是黑的假设。(网络图片)
这好像是被过分简单化,但它却是真实事物非常正确的模型。而且更重要的是,这个听觉黑洞被观察到放射出找寻已久的霍金辐射。
霍金的想法是必要的,因为相对论和量子力学无法好好地在一起运作,而黑洞需要这两种理论。因此,借由模拟我们有的一些方程式,针对它们的特性,有一项持续且大规模的调查。


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Steinhauer补充:“黑洞研究的特点在于学习相关的新物理定律,而不是黑洞本身。”
霍金辐射的观念来自于这些模拟之一。每一小段的时空有能量,而且有时候那个能量在交互作用与转回能量之前,能够突然地转变成一对粒子与反粒子。如果这一对粒子与反粒子的产生是发生在黑洞的事件视界(event horizon),一颗粒子会被黑洞的重力捕捉并且掉入,而另一颗粒子则逃脱。
借由一种被称为纠缠(entanglement)的特性,被逃脱的粒子会被连结到掉进黑洞里的同伴。来自于Steinhauer黑洞的霍金辐射,提供了最强烈的实验证据,霍金辐射是非常真实的。

黑洞里面是什么?假如掉进去会看到什么

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  黑洞是宇宙中最为令人困惑的天体,它的质量、密度、引力是如此之强,甚至连光线都无法从它旁边逃脱。那么黑洞里面究竟是什么呢?会不会是另一个宇宙?它到底是不是穿越时间、空间的一扇大门呢?也许在未来的某一天我们会得到答案,但如今的科技是无法解答的,有的只是科学理论。

  黑洞里是什么?物体掉进黑洞会怎么样?

  人类在宇宙中已经辨识出了许多黑洞,既有恒星级黑洞,也有超大质量黑洞。恒星级黑洞多位于我们银河系内,超大质量黑洞多位于星系中心。超大质量黑洞的质量可以达到太阳的几百万甚至几十亿倍。
  在银河系中心,有许多恒星围绕着一个质量为太阳四百万倍的不发光质心运行。这个质心名为“人马座A*”,通过对围绕着它运行的恒星进行测量,我们可以确定它是一个无可争辩的黑洞候选者。

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  银河系中心超大质量黑洞的所在位置。图/钱德拉X射线天文台

  当我们靠近黑洞的视界,就会发生许多违反直觉的事,而一旦跨越视界,事情会变得更糟。不管是什么类型的黑洞,也不管飞船有多棒,一旦冲过那道看不见的屏障,就再也出不去了!
  广义相对论是一位看守黑洞的严厉女管家。感谢爱因斯坦,今年我们之所以要纪念广义相对论发布100周年,部分原因就是它指出了黑洞及其质量,是如何使时空发生弯曲的。

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  图/SXS小组,Bohn等人,2015

  当我们离黑洞很远时,空间的弯曲程度很小。我们无法将它产生的引力和其他天体,如中子星或普通恒星,甚至是气体云产生的引力相区别。时空虽然已被弯曲,但我们只知道那里存在着质量,无法指出质量的特性或分布情况。
  然而在视觉上,我们却可以有与众不同感受。它不是中子星,不是恒星,也不是气体云,而是一个不发光的全黑球体。
  这个球体名为视界,并不是一个实在的东西。它是一个有一定体积的空间区域。如果我们靠近黑洞,就会发现它像是空间背景上的一个全黑的孔洞,孔洞周围的光线则是被严重扭曲的。

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  图/Ute Kraus,德国希尔德斯海姆大学Kraus物理学教学小组

  一厘米大的黑洞质量等于一个地球

  一个质量相当于地球的黑洞视界半径非常小,只有大约一厘米;如果黑洞的质量相当于太阳,那么这个半径大约接近三公里。银河系中心超大质量黑洞的体积相当于一颗参宿四那样的红巨星。如果把它放在太阳的位置上,那么其边界可能会超越许多行星的轨道!
  在距离很远的地方,黑洞的视觉特征没有什么特别之处。但是如果我们驾驶着一艘坚不可摧的飞船,携带着完美无缺的设备,逐渐靠近黑洞,那么情况就会变得越来越奇特。
  在一般情况下,如果我们离物体越近,它看起来就会越大,并遵循一种简单明了的递增方式。但黑洞并非完全如此。由于空间的极度弯曲,因此当我们靠近黑洞时,它视觉体积的增长会异常迅速。

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  图/Andrew Hamilton
  黑洞扭曲了它周围的时空

  如果黑洞视界的大小相当于满月,那么它实际上看起来会比满月大四倍!这是因为随着我们离黑洞越来越近,时空的弯曲程度会越来越高,周围的星光会被严重扭曲,偏离黑洞所在的区域。
  当我们离黑洞只有几个史瓦西半径时,它会变得相当巨大,几乎能阻挡飞船前方的所有光线。而普通天体在这个距离上看起来可能只相当于我们向前伸长手臂后的拳头。
  离黑洞越来越近后,飞船前方将会逐渐陷入一片黑暗,即便是后方,也将开始被黑暗笼罩。这同样也是光线在极度弯曲的时空影响下产生的结果,就好像点电荷靠近导体球壳时所形成的电场场线一样。

  此刻我们还没有跨越视界,回头还来得及。引力传感器会告诉我们,在指向黑暗中心的地方,有一个明确的下降梯度。但在相反的方向上,仍然能够看到星光。
  假如朝着视界继续向前,那我们就会发现,身后的星光将汇聚成一个很小的光点。在跨越视界前的最后瞬间,光点会在引力蓝移的作用下由红变白,由白变蓝。这是我们掉进黑洞前对外部宇宙的最后一瞥,宇宙微波和射电背景在此刻转化成了可见光。

  然后就是漆黑一团。空无一物。我们在视界内看不到任何来自外界的光线。
  发生这种情形的前提是没有其他物质或光线一起掉进去。下面这段视频演示的是如果周围的光线和我们一起进入黑洞时情况又将如何?这种情形在现实中更有可能。跨越视界的时刻大约是在视频第37秒处。视频由Andrew Hamilton提供。
  一旦跨越视界,无论是否有别的什么和我们相伴,都会发生一些令人震惊的事件。引力传感器会告诉我们,在所有的方向上都存在指向奇点的下降梯度,即便是在和奇点完全相反的方向上!
  这是因为在视界内部,我们发出的任何光线都将坠向奇点;我们已经到达黑洞的咽喉处,一切都无处可逃。
  以上发生的一切会持续多久?假如我们掉入的是一个质量为太阳四百万倍的超大质量黑洞,那么虽然在外界的参考系内,黑洞的直径大约有一光时——但是我们抵达奇点的时间却只需20秒。


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