黑洞

黑洞

黑洞是根据现代的广义相对论所预言的，在

宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞

是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗

尽而死亡后，发生引力塌缩而形成。黑洞质量是

如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来，故名为黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的事象地平面，标志着无法返回的临界点。

一.黑洞的产生

当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。。

物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——―黑洞‖诞生了。

二.黑洞的分类

分类方法一：

1. 超巨质量黑洞

到目前为止可以在所有已知星系中心发现其踪迹。

▪质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。

2. 小质量黑洞

▪质量为太阳质量的10至20倍，即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。

▪理论预测，当质量为太阳的40倍以上，可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。

3. 中型黑洞

▪推论是由小质量黑洞合并形成，最后则变成超巨质量黑洞

▪中型黑洞是否真实存在仍然存疑。

分类方法二：根据黑洞本身的物理特性（质量、电荷、角动量）：

1. 不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由史瓦西求出称史瓦西黑

洞。

2. 不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和

Nordstrom求出。

3. 旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

4. 一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

三.黑洞的演化

吸积

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。

蒸发

按照霍金的理论，把量子理论中的海森堡测不准原理和黑洞结合起来，假设某一粒子在黑洞中高速运动，测不准原理讲一个微观粒子

的动量和位置不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。黑洞相对于微观粒子体积非常大，故其位置不会被很好的定义，因此，其动量定义较准。但会存在动量定义不准的某些粒子，那么其速度可能超过光速，并逃离黑洞吸引，这样日积月累，黑洞就慢慢的蒸发。

毁灭

当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种―霍金辐射‖对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

四.黑洞的物理学探索

1.钱德拉塞卡的探索

1928年，钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光

速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的

排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出；一个大约为

太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。

（这质量现在称为钱德拉塞卡极限。）

这也就是第一次从理论上证明了黑洞的存在。可惜在当时他的

导师爱丁顿不能相信这样一个事实，因此钱德拉塞卡后来放弃了研究黑洞。

2.罗杰彭罗斯的探索

罗杰彭罗斯提出的关于黑洞的最有名的理论大概就是著名宇宙监督思想。在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。

3.霍金的探索

1975年史蒂芬霍金提出了他的黑洞理论，这个结论用他自己的话来说竟然是黑洞并不黑。相反，它们会轻微地发出―霍金辐射‖之光。（该辐射包括）有光子、中子和少量的各种有质量的粒子。这种辐射后来被称为霍金辐射。他将量子力学的思想来研究黑洞导致了这个惊人的结论，并且被证明是真实存在的。

4.其他物理学家的探索小结

1784年–英国的自然哲学家John Michell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体

1916年 - 卡尔·史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程

1971年–确认天鹅座X-1/HDE 226868 是一个双星的黑洞系统候选者。

1996年 - 安蒂·斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵，得到与史蒂芬·霍金和雅各·柏肯斯坦相同的结果。五．不同理论下的黑洞

1.经典力学下的黑洞

在经典力学中，黑洞被定义为逃逸速度大于或等于光速的星体，由于这样的定义，所以便可以由此给出黑洞的半径表达式R=2GM/C^2,但是这样的局限性显而易见，对于黑

洞这样的天体，经典力学已经不适用了。这样得出的半径表明了黑洞是一个完美的球，但实际上只有不旋转的黑洞才是标准的球。

2.广义相对论下的黑洞

黑洞其实就是广义相对论的预言结果之一，根据广义相对论的时空观，引力可以理解为时空的曲率，光经过时会发生偏折那么只要一个物体质量足够大，体积足够小则光不再是偏折，而是直接落入其中不能再出来。这时黑洞被称为奇点，即时空中曲率无限大的一点。

3.现代物理学中的黑洞

现代物理学中关于黑洞的理论主要由史蒂芬霍金，罗杰彭罗斯等发展而来。他们结合量子力学以及弦理论，热力学定律等得到了黑洞的时空面积公式，黑洞的熵公式，奇性