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霍金黑洞里面到底是什么


▲4月10日21点公布的人类首张黑洞照片

昨天晚上21时,首张黑洞照片全球公开,宏伟太空的秘密正在逐步被人类揭示,面对浩瀚宇宙,人类不只需要浪漫主义的认知,更多的是去挖掘它、理解它,我们只不过都是宇宙的微尘。今天我们选摘了霍金在《十问》中阐释黑洞的一章,它是确凿的科学事实,却比科幻小说家的任何幻想更怪异、更离奇。《十问:霍金沉思录》(霍金遗作)[英]史蒂芬·霍金(StephenHawking)著吴忠超译湖南科学技术出版社出版

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Q:对于太空旅行者,跌入黑洞是否为坏消息?

A:“绝对是坏消息。如果它是一个恒星质量的黑洞,你会在到达视界之前被制成意大利面。另一方面,如果它是一个超大质量的黑洞,你将轻松地越过视界,但在奇点处被毁灭。”

黑洞中是什么?

据说事实有时候比小说更奇怪,而且找不到比黑洞的情况更能真实地体现这一点的了。黑洞比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪,但它们是坚实的科学事实。

年,剑桥人约翰·米歇尔首次讨论了黑洞。他的论证如下:如果一个人垂直向上发射一个粒子,诸如一个炮弹,它会由于引力而减速。最终,粒子将停止向上运动,并将回落。然而,如果最初的向上速度大于某个临界值(称为逃逸速度),则引力永远不会强到足以阻止粒子,它就会逃脱。地球的逃逸速度仅稍大于每秒11千米,而太阳的逃逸速度约为每秒千米。两者都是远远高于真正的炮弹的速度。但它们与光速相比又较低,光速是每秒30万千米。因此光可以轻而易举地离开地球或太阳。然而,米歇尔认为可能存在质量比太阳大得多的恒星,其逃逸速度比光速还大。我们将无法看到它们,因为它们发出的任何光都会被引力拖曳回来。因此它们被米歇尔称为暗星,而我们现在称之为黑洞。

为了理解它们,我们需要从引力开始。爱因斯坦的广义相对论描述了引力,这是一个空间和时间的,也是引力的理论。空间和时间的行为受制于一组称为爱因斯坦方程的方程,那是爱因斯坦于年提出的。虽然引力是迄今为止已知的自然力中最弱的,但它有两个比其他力更关键的优势。首先,它的作用是长程的。太阳距离我们万英里,它将地球保持在轨道上,而太阳被保持在围绕银河系中心的轨道上,该中心大约在光年远。第二个优势是引力总是吸引的,不像电力,它可以吸引,也可以排斥。这两个特征意味着,对于一个足够大的恒星,粒子之间的引力可以支配所有其他的力,并导致引力崩溃。尽管存在这些事实,科学界仍然未能很快地意识到大质量的恒星可能会在自己的引力作用下往自身坍缩,并弄清楚留下的天体会如何行为。阿尔伯特·爱因斯坦在年甚至写了一篇论文,声称恒星在引力作用下不能坍缩,因为物质不能被压缩超过某种程度。许多科学家分享了爱因斯坦的直觉。美国科学家约翰·惠勒是主要的异见者,他在很多方面都是黑洞故事中的英雄。在他20世纪0年代和60年代的研究中,他强调许多恒星最终会坍缩,并探讨了这对理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩恒星变成的天体——黑洞的许多属性。

在一颗普通恒星超过数十亿年寿命的大部分时间中,它将依赖把氢转化为氦的核过程产生的热压来抵抗其自身的引力。然而,这颗恒星最终将耗尽其核燃料,恒星将收缩。在某些情况下,它可能成为白矮星,那是恒星核心的密集残余。然而,年,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡证明白矮星的最大质量约为太阳的1.4倍。俄罗斯物理学家列夫·兰道计算出一个类似的最大质量,适用于完全由中子构成的恒星。

那些质量大于白矮星或中子星最大质量的无数恒星,一旦耗尽了核燃料其命运将会如何?后来因原子弹成名的罗伯特·奥本海默研究了这个问题。年,他在和乔治·沃尔科夫与哈特兰·斯奈德合作的两篇论文中,证明了压力不可能支持这样的恒星。而如果人们忽视压力,均匀的球状对称的恒星就会收缩到一个无限密度的点。这样的点被称为奇点。我们所有的空间理论都是在基于时空是光滑的、几乎平坦的假设之上而表述的,所以它们在奇点处,即时空曲率无限处崩溃了。事实上,它标志着空间和时间本身的终结。这正是令爱因斯坦非常反感的东西。

然后第二次世界大战爆发了。包括罗伯特·奥本海默在内的大多数科学家,改为







































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