[科普中國(guó)]-黑洞小知識(shí)

黑洞小知識(shí)

黑洞這一概念的提出最早在1783年，英國(guó)劍橋的一位學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在他的一篇文章中做出了這樣一個(gè)假說——存在一個(gè)質(zhì)量足夠大且足夠致密的恒星，它所產(chǎn)生的引力足以讓光在未達(dá)到遠(yuǎn)處前就被其吸引回來，所以在足夠遠(yuǎn)的地方你永遠(yuǎn)看不到這個(gè)天體，也就是說這個(gè)天體是絕對(duì)黑暗的。之后在1796年法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯根據(jù)牛頓力學(xué)中關(guān)于天體逃逸速度方面的理論推導(dǎo)出黑洞的第一個(gè)數(shù)學(xué)模型——當(dāng)一個(gè)天體密度和地球一樣而直徑達(dá)到太陽的250倍時(shí)，該天體的逃逸速度將達(dá)到30萬km/h，也就是光速時(shí)，這個(gè)天體就是黑洞。但當(dāng)時(shí)由于光的本質(zhì)還沒有探尋清楚，所以對(duì)于引力是否可以影響光還是一個(gè)未知數(shù)。直到1915年愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出，黑洞這一概念才逐漸成型。最后在1969年，美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒為了形象地描述這一概念才提出了“黑洞”這個(gè)名詞。

那么黑洞是怎么形成的呢？提到這個(gè)我們首先要了解一個(gè)恒星的一生。一個(gè)恒星最初一般只含有氫元素，但由于它本身的質(zhì)量很大，需要有足夠的能量去與它自身的萬有引力去對(duì)抗來維持它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。于是它內(nèi)部的氫元素在彼此碰撞下發(fā)生聚變形成氦元素，以此來釋放巨大的能量。此時(shí)恒星就從主序星轉(zhuǎn)化為紅巨星。在這過程中生成的氦元素也會(huì)參與到聚變中來生成鋰元素，然后按照元素周期表一直繼續(xù)生成下去，直到生成鐵元素。有些紅巨星由于自身核燃料或質(zhì)量不足在燃料耗盡之后就會(huì)冷卻爆炸形成白矮星。而那些質(zhì)量大的足以支撐這一系列核反應(yīng)的紅巨星則會(huì)因?yàn)殍F元素足夠穩(wěn)定使得它參加聚變反應(yīng)時(shí)不會(huì)釋放能量反而需要吸收大量能量，而紅巨星當(dāng)時(shí)的環(huán)境達(dá)不到鐵聚變的條件，所以熱核反應(yīng)在生成鐵之后就不會(huì)繼續(xù)下去了。這樣鐵元素在恒星內(nèi)部不斷累積，熱核反應(yīng)提供的能量不足以與它自身的引力抵抗，紅巨星的內(nèi)部開始冷卻然后就會(huì)發(fā)生坍縮。在其最不穩(wěn)定的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生劇烈爆炸形成超新星爆發(fā)，超新星爆發(fā)之后外層解體為向外膨脹的星云，中心遺留下部分物質(zhì)坍縮為一顆高密度天體。質(zhì)量小的恒星最后形成的還是白矮星，而質(zhì)量較大的恒星在形成白矮星之后還會(huì)進(jìn)一步坍縮形成中子星。當(dāng)恒星質(zhì)量大到連中子星內(nèi)部中子之間的排斥力也無法支撐的時(shí)候，坍縮就會(huì)無休止地進(jìn)行下去直到連中子也被擠壓為粉末最后形成一個(gè)體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

廣義相對(duì)論中提到過物體的質(zhì)量會(huì)引起時(shí)空彎曲而且質(zhì)量越大彎曲的程度越明顯。那通過這個(gè)理論我們可以假設(shè)如果有一個(gè)物體的質(zhì)量大到足以讓它周圍范圍內(nèi)的時(shí)空彎曲趨近于完全封閉，那光、物質(zhì)、信息等等也就無法從這個(gè)封閉的時(shí)空內(nèi)部逃離了，那對(duì)于外部天體來看這就是一個(gè)黑洞。這就是黑洞假說的第二個(gè)數(shù)學(xué)模型。但實(shí)際上體積越大的物體要使它周圍的時(shí)空彎曲到同一程度所需的質(zhì)量也越大，所以黑洞形成的必要條件就是足夠高的密度，而不同黑洞之間也會(huì)有質(zhì)量，體積的差別。

從理論上來說連自然界達(dá)到速度上限的光都無法逃離黑洞，那黑洞是不是“只進(jìn)不出”呢？熱力學(xué)第二定律中提到一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，并且將兩個(gè)系統(tǒng)連接在一起時(shí)合并系統(tǒng)的熵是大于單獨(dú)系統(tǒng)熵的總和。由此我們假設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)中引入一個(gè)黑洞，系統(tǒng)里的物質(zhì)就會(huì)被黑洞吸進(jìn)去，如果要維持這個(gè)系統(tǒng)的總熵不減少，那么黑洞就必須具有熵。但是一旦黑洞具有熵那么它應(yīng)該就會(huì)有溫度，而有溫度的物體無論它的溫度有多低一定會(huì)向外發(fā)射輻射，這就從理論上反證出了黑洞不是只進(jìn)不出的。

到了1974年，年輕的史蒂芬·霍金先生對(duì)于黑洞放出的輻射給出了一個(gè)很好的證明，因此這個(gè)輻射就被稱之為“霍金輻射”。要解釋霍金輻射，我們首先要了解虛粒子的概念。實(shí)際上真空中并不是完全空的，在量子力學(xué)中測(cè)不準(zhǔn)原理的解釋下，真空中隨時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一對(duì)正負(fù)粒子，然后在它們?cè)跇O短的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生湮滅。只要這一過程中這對(duì)粒子的質(zhì)能和該過程的持續(xù)時(shí)間小于普朗克常量，那么這一過程就無法被我們觀測(cè)到，最后只會(huì)以能量的形式被我們所感知，這對(duì)粒子就是虛粒子。而在霍金的假說中假設(shè)在黑洞的旁邊存在一對(duì)虛粒子，而他們?cè)阡螠缰?，其中的一個(gè)粒子被黑洞吸了進(jìn)去轉(zhuǎn)化為實(shí)粒子，而沒有被吸進(jìn)去的那個(gè)粒子就會(huì)從黑洞的鄰近逃逸。這個(gè)逃離的粒子向外所形成的輻射就是霍金輻射。而輻射出去的實(shí)粒子所攜帶的正能量會(huì)被落入黑洞的負(fù)能粒子流平衡，使得黑洞的能量減少。再由質(zhì)能方程可知，能量和質(zhì)量成正比，所以黑洞能量的減少最終會(huì)導(dǎo)致黑洞質(zhì)量的減少。由此霍金做出假設(shè)，一個(gè)孤立的黑洞的質(zhì)量會(huì)逐漸減少，而且質(zhì)量和溫度是成反比的，隨著質(zhì)量減少溫度升高輻射的速度也會(huì)加快，最后黑洞會(huì)在由此巨大的輻射暴中消失殆盡。但實(shí)際上霍金輻射在宇宙輻射背景下時(shí)很微弱的，很難實(shí)際觀測(cè)到。直到2010年意大利的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里模擬產(chǎn)生了霍金輻射，才驗(yàn)證了這一假說。

在這之后，就在今年4月，人類史上第一次成功得到了黑洞的照片。一個(gè)由全球8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡組，成功得到了位于人馬座A星系的黑洞的照片，這對(duì)于黑洞理論的真實(shí)性的驗(yàn)證起到了強(qiáng)有力的作用。雖然關(guān)于黑洞的理論仍舊有很多問題存在爭(zhēng)議，但我相信在不久的將來黑洞的神秘面紗就將被全部揭開。