史瓦西黑洞,一个奇点一个视界

文章作者:hs | 2015-09-01
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宇宙中有很多大小不一的黑洞,而其中最多的就是史瓦西黑洞,史瓦西黑洞是宇宙空间中最常见的黑洞,它的最大质量不会超过太阳的50倍,与其他黑洞不同之处在于,史瓦西黑洞是不带旋转不带电荷的黑洞,任何靠近黑洞的物质,甚至是光也都会被吸进去,假如人被吸了进去,会瞬间被撕碎,或者进入另一个时空,再也出不来了。

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史瓦西黑洞

1916年史瓦西提出了史瓦西黑洞,史瓦西黑洞不带电且不旋转。其外层的临界面成为“视界”,视界表面,只有光速移动的物体能够逃离黑洞的引力。视界包围的球体的半径,则称为史瓦西半径,与质量成正比。黑洞的核心“奇点”则隐匿在视界深处。而视界表面,只有光速移动的物体能够逃离黑洞的引力。视界包围的球体的半径,则称为史瓦西半径,与质量成正比。黑洞的核心“奇点”则隐匿在视界深处。

史瓦西半径又是什么?史瓦西计算出了一个无自转无电荷的球形天体外的时空弯曲,只花了几天时间就得到了答案,这就是爱因斯坦场方程的“史瓦西解”。史瓦西解不但描述了空间的弯曲,还描述了时间的弯曲。用来描述这种时空弯曲的几何,后来被称为“史瓦西几何”。

在史瓦西几何里,每一个天体都有一个与自身质量成正比的“临界半径”,也就是“史瓦西半径”。对太阳来说,这个半径大约是2.95千米。10倍太阳质量的天体临界半径是29.5千米,100倍太阳质量的天体,临界半径就是295千米。天体的实际半径越接近临界半径,周围的时空弯曲就越强烈,时间的膨胀也越厉害。史瓦西几何预言,当天体的实际半径等于临界半径的时候,天体周围的时空弯曲,将会使它表面的时间无限地膨胀。这意味着什么呢?意味着天体表面的光虽然还是以我们熟悉的光速前进,一点儿也没有变慢,但它身上的时被无限延长了。虽然它只需要一丁点的时间就能离开天体表面,但这“一丁点”的时间却永远也过不去。这个天体发出的光从此不会有任何人能看到,也不会有任何关于它内部的信息流露到外界。当时的物理学家把临界半径对应的临界表面称为“史瓦西奇点”。

形成

史瓦西黑洞就是所谓的“寻常黑洞”。它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽,辐射压急剧减弱,星体在其自身引力的作用下坍缩。我们知道,黑洞是一个超大质量的高密度天体,并且可以将一切物质吸进黑洞中去。而史瓦西黑洞是是其外部的引力场符合史瓦西解的黑洞。

史瓦西研究的是在绝对真空中完全球对称的,在塌缩过程中没有丝毫物质异动,不带电荷,没有丝毫旋转的,标准理想化恒星的塌缩过程,以及它内外时空的场方程解。可以说史瓦西黑洞是所有寻常黑洞的发祥地。而史瓦西黑洞本身是一个不会旋转、不带电荷的黑洞,而奇点便是黑洞异性的来源。

奇点是什么

奇点是宇宙产生之初,由爆炸而形成现在宇宙的那一点。它具有所有物质的势能,而这种势能----正是由大爆炸而转化为宇宙物质的质量和能量,,以及表现这种质量和能量的“空间”。

我们可以想象,奇点是一种无形的、无限小的、很奇妙的存在。它还不是宇宙,却是我们宇宙的初始和出处。作为一个世界的发生之初,它应该具有所有形成现在宇宙中所有物质的势能,而这种势能----正是我们所言的能量,我们可以想象,能量是一种无形的东西的,所以奇点是无形的.也就是说宇宙的奇点所具有的势能是无形的,他只是一种很奇妙的存在而已。

同时我们还可以想象,在某一点上宇宙奇点的这一势能平衡被打破,于是乎能量便不断转换为物质,而经过若干年而形成了我们现在的宇宙---物质与能量的共生体.然而我们不能想象的出的是什么东西引发了这一奇点势能平衡的被破坏.奇点是没有大小的“几何点”,就是不实际存在的点,这是很令人难于理解的。令人难于理解的还有,没有大小的奇点物质竟然是能级无限大的物质。任何接触到奇点的物质必然被奇点摧毁,被分解为纯粹的基本粒子和时空单体,即使是形成这个黑洞、这个视界、这个奇点的恒星,也将被它摧毁而不再对黑洞产生任何影响。

视界是什么

每个史瓦西黑洞除了有一个奇点外,还有一个视界,所谓视界就是黑洞的边界,任何一个星球都有所谓逃逸速度,即可以飞出该星球的最低速度.地球的逃逸速度是11.2公里/秒,在地面上发射一艘飞船,达到11.2公里/秒就可飞出地球.

如果在离地面很远的高空发射,显然条件可以降低些;离地心越近,速度要求就越高,当然离地心的距离不可能比6370公里更近,因为地球半径是6370公里.

假想我们能够压缩地球,使之密度更大体积更小,那么在它的表面就会离地心更近,逃逸速度也会变大.如果我们继续压缩它,越压越小,这个地球表面的逃逸速度也越来越大.总有那么一个尺度,当地球被压缩成那么大时,它表面的逃逸速度会达到30万公里/秒,即光速.也就是说,此时即使是光也不能从这“小地球”的表面发射出去了.对地球来说,这个尺度大概是1厘米,当地球被压缩成半径一厘米以内的小球时,光就不能从地球表面逃出了.

注意,虽然在这小地球的表面逃逸速度达到了光速,但在离小球中心6370公里的高空——即原先的地球表面,逃逸速度仍是11.2公里每秒,因为被压缩的地球质量没变。对太阳这种质量的物体来说,半径是1公里,如果太阳被压缩成半径正好是1公里的球,那么它表面的逃逸速度为30万公里/秒,假如太阳从此坍缩下去,变成刚才说的奇点,那么这奇点附近的逃逸速度将比光速还要大得多.但是在半径1公里的那个高空上,逃逸速度仍是30万公里/秒.半径1公里的这个假想的球壳,仿佛是个分界面:在它内部,与奇点的距离小于1公里,逃逸速度大于光速,连光也逃不出来;而在它外部则没问题.

这个通过计算得到的、实际上并不存在也看不见的、在奇点外围一定半径处的、假想的球壳,就是“视界”。

宇宙之大,无奇不有。史瓦西黑洞不旋转不带电荷的黑洞,而宇宙中的黑洞多不胜数,根据黑洞本身的物理性质可以分为不旋转带电黑洞、旋转不带电黑洞等等五类黑洞。而外星网也会陆续为你介绍其他的宇宙黑洞。

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