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因为这个黑洞,霍金打赌输了一年的情色杂志,黑洞到底是什么?

作者:红桃K日记

黑洞是现代广义相对论中存在于宇宙空间中的一种天体。它的时空展现出引力的加速度极端强大,以至于使得视界内的逃逸速度大于光速!是一个任何粒子或电磁辐射都无法逃离的区域。

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但是最早科学家发现它的时候,它并不叫黑洞。

黑洞的命名

早在1784年11月,时任剑桥学监的约翰·米歇尔给物理学家卡文迪什(Henry Cavendish)写了的一封信,信中提出有一种巨大到连光都无法逃离的天体。但当时约翰·米歇尔并没有以“黑洞”这个词来命名,而用“Dark star”(黑暗之星)这个词来形容这类天体。

20世纪初期,物理学家使用“引力坍塌的物体 ”来形容黑洞。

到了1960年代,美国物理学家罗伯特·亨利·迪克以一个进去就出不来的监狱来比喻这种天体,这座臭名昭著的监狱被称为“加尔各答黑洞”,至此黑洞这个词正式新鲜出炉。

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随后《生活》杂志和《科学新闻》在1963年的出版品中首次在公众媒体上使用了黑洞这个名词,而这个词真正的发扬光大是在1967年12月。

物理学家约翰·惠勒的一次讲座上,一位学生再一次提出了黑洞这个名词,惠勒觉得黑洞这个名字简洁并具有广告价值 ,于是予以采用并成为术语,使得黑洞这个词迅速地被推广。也因此有人误认为是惠勒提出了黑洞这个名字,但其实并不是。

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黑洞的诞生过程

其实每个至暗的黑洞,都曾经在宇宙中光芒万丈 !都曾经轰轰烈烈地展示过其生命的灿烂与光辉!

大部分恒星内部聚集着大量的氢原子 ,核聚变将氢原子变成氦原子并释放出极大的能量,正是这股能量以热压辐射的形式存在来对抗着巨大的引力。这两股力量之间维持在一个奇妙的平衡,支撑着恒星不会坍缩。因此只要核心持续的核聚变,恒星就能维持足够的稳定度。

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当核心的核燃料耗尽恒星寿命终结时,恒星就会因冷却而内部压力下降,进而导致在引力的作用下坍缩。而对于那些比太阳的质量大很多的恒星,核心内的热能和压力可以使他们合成更重的元素,最终可能产生铁原子。

但是值得注意的是,产生出铁原子的过程中是不产生任何能量的。

当铁核在大质量恒星中央累积到一定程度后,辐射能与重力之间的平衡就瓦解了,出现铁核坍缩。就在几千分之一秒内,恒星产生自爆,并以1/10的光速移动。这个过程就是恒星的死亡过程,即超新星爆发。超新星爆发后,引力坍缩形成一个接近史瓦西半径的球体。

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任何具有质量的物质,都存在的一个临界半径特征值,当物体的实际半径小于这个临界值,物体就会变成黑洞。这个值就是史瓦西半径。

太阳的史瓦西半径约为3千米,地球的史瓦西半径只有约9毫米。换句话说,如果把地球压缩成直径1.8厘米以内, 地球就变成了一个黑洞!

引力坍缩形成一个接近史瓦西半径的球体后,原子核的排列还在,原子的结构也没有被破坏,但电子都被挤到了原子核里面,质子和电子被挤到一起成为了中子。然后整个坍塌结构停止,这个状态就是中子星。

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而此刻中子星质量如果超过太阳质量的3-4倍以上,就达到了奥本海默-沃尔科夫极限,那这颗中子星就还会继续在引力的作用下坍缩。

当缩小到史瓦西半径以内的时候,原子结构就会彻底破坏!此时已经没有什么可以力量可以与引力进行对抗了,所有的物质都会向着中心点疯狂移动,最终形成这个体积无限小且密度无限大的天体-黑洞!

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引力坍塌并不是唯一能产生黑洞的过程。

黑洞理论上可以在达到足够密度的高能碰撞中形成。这意味着微型黑洞可能在宇宙射线撞击大气层时发生的高能碰撞中产生,或者有可能在CERN的大型强子对撞机中产生。

这也让很多人担心,CERN的大型强子对撞机中如果撞出黑洞,会不会威胁到地球的存在呢?

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CERN的大型强子对撞机

其实不会,即使可以形成微型黑洞,科学家们预计也会在大约10^-25秒内蒸发,不会对地球造成任何威胁!

黑洞的“黑”与“洞”

正如广义相对论所预测的,质量的存在使时空变形,使粒子的路径朝向质量弯曲在黑洞的事件视界。这种变形强烈到没有任何路径是远离黑洞的,任何东西想要通过这个事件视界,逃逸速度必须超过光速!

当然这是不可能的,也就是说包括光在内的一切物质,都无法从事件视界到达外部。

所以你看到的只是一个不会反射任何光的黑暗球面,这就是黑洞“黑”的部分。

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而所有进入到事件视界范围内的一切物质,都将塌陷成一个质量无限大,密度无限大,面积无限小的一个点:引力奇点 。

在奇点处我们目前认知的空间时间和物理定律不再适用,根据广义相对论所描述,奇点是一个时空曲率变得无限的区域,就像一个永远饥饿吞噬一切的洞一样,这就是黑“洞”的部分 。

黑洞是如何被发现的

黑洞既然不能被看见,科学家们又是怎么发现的呢?难道是科学家们模拟出来骗我们的么?

并不是。

我们虽然看不到事件视界内的黑洞,但是科学家通过观察和研究黑洞周围的现象发现,黑洞周围遍布着气体和灰尘形成的颗粒。这些颗粒以大约十分之一光速围绕着黑洞进行旋转,如此高速的运动会导致持续不断地爆发辐射,并产生出超高的亮度,我们称之为吸积盘。

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吸积盘

越接近黑洞的事件视界,物质的运行速度就会越快,黑洞所必须承受得越多,它的事件视界的范围就越大,在其周围形成的吸积盘就越大越亮!

因此最大最亮的吸积盘中心,就被认为有超大质量的黑洞存在!

这种大质量的黑洞几乎存在于每个超大星系的中心区域,比如我们银河系。

德国天文学家们曾于2008年证实,在银河系中心,与地球相距2.6万光年的“人马座A”就是一个超大质量的黑洞。质量约为太阳质量的400亿倍!

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银河系中心黑洞

值得注意的是,黑洞并不是像吸尘器一样吧周围的东西吸进事件视界内。当物质靠近黑洞边缘的时候,物质周围的时空被扭曲成了曲率无限大,等于物质所在的范围成了事件视界,相当于黑洞的视界线扩大将物质吞噬进去。

举个例子,如果我们把太阳换成一个同质量的黑洞 ,根据刚才我们说到的史瓦西半径,这个黑洞直径会在6千米左右,但是此时太阳系的行星并不会被吸进去,而是依然会围绕太阳黑洞公转。

当然,人类会被冻死。

宇宙最大黑洞

黑洞的大小取决于其围绕物质区域有多长,以及黑洞为了生长吞噬宇宙物质的速度有多快。从理论上说黑洞的大小是没有上限的。

芬兰科学家在距离地球35亿光年的地方发现了一个巨大的双黑洞系统。经过研究发现,这是人类观测到的宇宙中最大的黑洞!

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这个超巨大黑洞名为“SDSS J140821.67+025733.2”,成于OJ287类星体的中心位置,是之前天文学所记录最大黑洞TON618的3倍左右,它的质量质量为太阳的2040亿倍,相当于一个小型星系。

在它旁边还有一个质量略小的黑洞,质量是太阳的1亿倍。

通过在这个巨大黑洞旁的小型黑洞的观测,天文学家用较强的重力场作用现象证实了爱因斯坦的相对论,这两个黑洞预计在未来1万年里将发生合并。

霍金的黑洞赌局

在上个世纪60年代的时候,美国为登月做准备,发射一系列探空火箭进行观测。

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美国为登月做准备

1964年的一次火箭弹道飞行时,发现了从地球观测到最强的X射线源之一,它来自6070光年之外的天鹅座X-1(CygX-1)。其质量大约是太阳的14.8倍,它的事件视界半径约为26公里,是最先被广泛承认为黑洞的候选星体。

之所以称之为候选星体 ,是因为黑洞观测有实际的困难度存在,宣称某个星体是黑洞,其并不能全面验证黑洞的所有特征,无法满足专业天体物理的数据要求。

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因为当时天文数据库当中并没有黑洞这个词,严格来讲只有黑洞候选星体。我们为了方便就默认都叫黑洞了。

后来确定这是一个黑洞时,这也是人类发现的第一个黑洞。

而天鹅座X-1还曾是物理学家史蒂芬·霍金和基普·索恩打赌的主角,我们知道霍金的理论中是人为黑洞存在的,但奇怪的是,霍金打赌的观点是宇宙中并没有黑洞存在。

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霍金后来解释,这其实是一个“保险措施”。

在《时间简史》里,霍金写道:

“这对我而言是一个保险的形式。

我对黑洞做了许多研究,如果发现黑洞不存在,则这一切都成为徒劳。

但在这种情形下,我将得到赢得打赌的安慰,他要给我4年的杂志《侦探》。如果黑洞确实存在,基普·索恩将得到1年的《阁楼》杂志。”

有趣的是,《阁楼》杂志是一款著名的情色杂志。

根据《时间简史》的十周年更新版本,霍金已经承认输了打赌。因为之后的观测数据支持黑洞理论。

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这意味着霍金打赌虽然输了,但是却奠定了黑洞理论的基础,奠定了霍金的伟大。

黑洞是宇宙中最神秘的天体,与黑洞相关的有趣事情还有太多太多,我们会在今后陆续和大家聊到。

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