PAGEPAGE7黑洞的存在形成和結構的初探摘要黑洞是一種引力極強的天體，就連光也不能逃脫。根據牛頓力學能量理論和相對論證明了黑洞的存在，同時通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在；黑洞有可能是由三種途徑形成的。黑洞的結構是由奇點、振蕩層、輻射層組成。關鍵詞：黑洞；史瓦西半徑；結構一、黑洞的存在形成過程黑洞在現在人看來已經不是什么新名詞了，但是黑洞是什么？黑洞是否存在？對于這個問題，許多人可能都不能回答。下面我們介紹一下黑洞：黑洞是一種引力極強的天體，就連光也不能逃脫。當恒星的史瓦西半徑（下面有介紹）小到一定程度時，就連垂直表面發(fā)射的光都無法逃逸了。這時恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。黑洞引申義為無法擺脫的境遇?！昂诙础焙苋菀鬃屓送纳x地想象成一個“大黑窟窿”，其實不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。從萬有引力定律可以知道，把一個物體從星球表面拋射到宇宙空間，需要有足夠大的拋射速度。對于小質量的星體，這個速度不大。例如，對于火星的衛(wèi)星火衛(wèi)一，拋射速度只需5m/s。對于月亮，需要2.4km/s。對于地球、密度越大的星球，物體從它表面逃離所需的速度就越大，當星球的密度大到一定程度，以至于逃離速度大于光速時，光子就不能再從星球表面逃離。它們會被星球的萬有引力拉回去，遠方的觀測者也就不可能看見這顆星了。從牛頓力學的能量理論很容易算出這類暗星的形成條件。設光子質量為m，光速為c，星球的質量和半徑分別為M和r。按照牛頓理論，從星球表面射出的光子的能量為=勢能為=當它的動能小于勢能時光子不可能逃離星球。從上式可以算出暗星形成的條件r（1）這就是說，當一個星球的質量和半徑之間滿足上述關系時，這個星球發(fā)射的光將被萬有引力拉回去，這顆星將成為一顆看不見的暗星。（1）式就是拉普拉斯等人給出的暗星條件。然而幾年后，光的干涉和衍射現象被發(fā)現，光的波動說戰(zhàn)勝了微粒說。拉普拉斯等人在微粒說基礎上得出的上述結論，不再被學術界重視，逐漸被人們淡忘了。有趣的是，今天從廣義相對論得出的黑洞條件，與當年拉普拉斯等人從牛頓理論給出的暗星條件完全相同。從今天的眼光看，上面的推導犯了兩個錯誤，第一是把光子的動能寫成了，第二是把廣義相對論的時空彎曲當成了萬有引力。這個錯誤互相抵消，最終卻得到了正確的結論。由于廣義相對論給出的黑洞條件的推導過程很復雜，這里就不多說了，有興趣的可以看看。史瓦西半徑是卡爾·史瓦西（KarlSchwarzschild、也有翻譯做卡爾·史瓦茲旭爾得）于1915年針對廣義相對論方程關于球狀物質分布的解，此解的一個結果是可能存在黑洞。他發(fā)現這個半徑是一個球狀對稱、不自轉的物體的重力場的精確解。下面我們給出史瓦西半徑的公式的導出過程：史瓦西半徑的公式，其實是從物件逃逸速度的公式衍生而來。它將物件的逃逸速度設為光速，配合萬有引力常數及天體質量，便能得出其史瓦西半徑。Rs=2Gm/推導過程：由F=GmM/得知r越小則F越大而引力F正比于物體吸引落下速度V且速度V最大值為C求星體半徑臨界直(V=C之r臨界直);即史瓦西半徑由F=ma=mg得GMm/=mg故g=GM/由固定重力場位能得非固定重力場位能公式a.將E=mgh代換成E=GMmh/且h=r故E=GMm/r表位能b.列受星體吸引物質之速度與位能對應式求得臨界半徑r(史瓦西半徑)m=GMm/r做勞倫茲變換m/=GMm/r得到r=2GM/當v=c求r之臨界直則全式可得Rs=2GM/;Rs為史瓦西半徑;左為史瓦西半徑公式(G為引力常數M為恒星質量C為光速)事實上，牛頓力學及廣義相對論能導出相同結果，純粹是巧合而已。對于太陽史瓦西半徑是2.9公里；對于地球,它等于0.88厘米.史瓦西計算表明的是,如果太陽被擠壓進半徑2.9公里的球內,或者,如果地球被擠壓進半徑僅0.88厘米的球內,它們就將永遠在一個黑洞內而與外部宇宙隔離.物質仍然可以掉進這樣一個黑洞但沒東西能夠逃出來.以上都是理論上證明黑洞的存在，但是黑洞在現實生活中是否真的存在，我們又怎么樣才能觀測到這個“看不見的黑洞”呢？有一種情況下的黑洞比較好觀測的，那就是雙星里的黑洞.

雙星就是兩顆互相饒著轉的恒星.雖然我們看不見黑洞，但卻能從那顆看的見的恒星的運動路線分析出來.這是什么道理呢?因為,雙星中的每一個星都是沿著橢圓形路線運動的,而單顆的恒星不是這樣運動。如果我們看到天空中有顆恒星在沿橢圓形路線運動,卻看不到它的'同伴',那就值得仔細研究了。我們可以把那顆星走的橢圓的大小，走完一圈用的時間，都測量出來.有了這些，就可以算出來那個看不見的'同伴'的質量有多大。如果算出來質量很大，超過中子星能有的質量，那就可以進一步證明它是個黑洞了。在天鵝星座，有一對雙星，名叫天鵝座X-1.這對雙星中，一顆是看的見的亮星,另一顆卻看不見.根據那可亮星的運動路線.可以算出來它的'同伴'的質量很大,至少有太陽質量的五倍.這么大的質量是任何中子星都不可能有的.當然，除這些以外還有別的證據。所以,基本上可以肯定，天鵝座X-1中那個看不見的天體就是一個黑洞.這是人類找到的第一個黑洞。其它情況呢？雖然黑洞不可能通過來自事件視界以內的輻射來檢驗，但是黑洞仍然對其周圍有引力影響，根據這種影響可以推斷黑洞的存在。這種彎曲原則上是可以檢驗的，例如，通過外部光線穿過變形的空間區(qū)域。（a）（b）圖（a）：引力物質產生的時空彎曲的示意圖；圖（b）：黑洞形成的彎曲。即使黑洞看不到，由它產生的時空彎曲原則上是可以測量的。通過這種測量，可以驗證黑洞的存在。如果這樣一個天體碰巧在繞一顆普通恒星的軌道上，它將剝奪伴星的物質，形成一個由向黑洞匯集的熱物質構成的吸積盤。吸積盤中的溫度可以升至極高，以致它能輻射X射線。所以我們可以通過它周圍的輻射來觀測黑洞。二、黑洞的形成1、某些演化晚期的恒星可能是黑洞的候選體恒星的演化通過一系列的核燃燒過程，首先是氫聚變成氦，然后氦聚變?yōu)樘?、氧、氛，氖再聚變?yōu)殒V、硅、硫．最后鎂、硅和硫聚變?yōu)殍F族元素。大質量的恒星損失掉多余的物質，或者平緩地剩下一個白矮星殘核，或者出現災變性的爆發(fā)、剩下一個中子星殘核。然而，在有些情況下，當殘核超過了中子星可能具有的最大質量時，殘核將坍縮為一個黑洞。2、星團的塌縮可能形成黑洞的這種方式比起第一種力犬更抽象一些。銀河系的中心區(qū)域，恒星密布。在銀河系內的其它地方，也有許多稠密的星團。隨著時間的推移，星團的動力學演化使星團中心區(qū)變得越來越凝縮。在銀河的中心或是在非常稠密的星團內，這一演化可以達到這樣一個階段：這時，恒星之間的碰撞變得非常重要，終于導致許多恒星爆發(fā)從而形成一個單獨的超巨質量天體。然后這個天體經受到力塌縮形成黑洞。如果這個過程發(fā)生在一個銀河系的巾心，人們就能預言它將產生一個黑洞，其質量介于10萬()~l0億()個太陽的質量之間。在密集的星團中心，還會產生一些較小的黑洞。3、原生黑洞與前兩種相比，這種可能性在很大程度上更是一種推測。在宇宙的初創(chuàng)時期，物質的密度極高。在這個階段，密度的不均勻性，可能已經導致了黑洞的形成。換言之，如果在某一區(qū)域內物質的密度增大，那么在該區(qū)域內，物質不是隨著宇宙的靜止而膨脹，而是發(fā)生引力場踏縮形成黑洞。根據密度不均勻性質，這樣的原生黑洞幾乎可以有任何質量。尤其是特別小的黑洞——比太陽質量小得多一就是以這種方式形成的。在近代的宇宙中不可能形成這樣的黑洞，因為上述第一、二種過程都不能產生質量非常小的黑洞。極小質量的原生黑洞，由于其體積也持別小，在宇宙演化期間，不可能吸積很多物質，因此在現階段仍保持這樣的小體積。如果這種黑洞與地球相撞，它將筆直穿過地球，而所吸收的物質微乎其微。但是它的引力場將在大氣層中引起強大的沖擊波。這使人們聯想到1908年發(fā)生芥：西伯利亞的通占斯“隕石”事件(Tungu5ka“m6teorDevcnL)可能要由一個小黑洞負賞，這種推測一度在新聞媒介中廣泛報道過。在這次事件中，許多平方英里的樹木被擊倒，但是卻沒有找到隕石坑。不過這種與個黑洞有關的解釋，同許多別的說法一樣，令人難以置信。即使產生了小的原生黑洞，它們在宇宙中也還沒有多到足以使其中一個與地球相撞的程度。黑洞存在并已經根據以上的理論發(fā)現了黑洞，而黑洞的形成可能不是單方面的，也可能是可以通過多種途徑來形成的。就像通往成功的道路不止一條，但最終的結果都是一樣的。三、黑洞結構的初探1.黑洞的溫度一個黑洞猶如一個具有溫度(Ｔ)的熱體一樣發(fā)射輻射，其溫度只與它的質量有關，更精確地講，此溫度由下式給出：Ｔ＝HC3/8πκGｍ在此式中符號(C)是光速，(H)是普朗克常數,(G)是牛頓引力常數,(κ)是玻爾茲曼常數,(ｍ)是黑洞質量。這樣可以推出黑洞越小，其溫度越高，一個具有幾倍太陽質量的黑洞只具有一千萬分之一度的絕對溫度。這比充滿宇宙的微波輻射的溫度(大約2.7K)要低得多。溫度是物體中粒子劇烈運動的一種表現，在量子理論中，粒子振動的最大值約為0.645*Ｃ，所以溫度在量子理論中的最高值Ｔ為：μ＝ａ*Ｔ４μ為能量密度；ａ是常數為7.56*10-16J(M3*K)，由質能方程E=m*C2，質量密度ρ為2.29*1017kg/m3得：T4=6.6*1048，T=2.57*1012K超過這一溫度時，粒子的能量增加,克服它們之間的作用力開始合并，形成中間無間隙、粒子間絕對接近的物質。同時將巨大的能量瞬間拋出，粒子不再運動此時溫度下降到絕對零度。2.黑洞的結構廣義相對論認為，10個太陽質量的星體坍縮成黑洞，其中心是約10-33cm大小的奇點。奇點就是一種粒子間無間隙、絕對接近的物質。在奇點的次外層是振蕩層，只所以稱之為振蕩層，是因為當物質落入黑洞與奇點碰撞時，奇點會無損失的、以光速將能量傳遞到奇點表面，使表面的奇粒(奇點的特殊組成粒子)振蕩離開表面，而后在引力作用下又回到奇點的表面，通過奇點將能量傳遞出去。在振蕩層中奇粒做的都是半單擺運動。奇粒之間的相撞將能量輻射到遠離奇點的外層——輻射層，這一層不斷吸收振蕩層和其他天體的能量，同時也發(fā)出輻射，當能量達到一定數值時，粒子合并進入奇點成為它的一部分。由于黑洞是一種物質構成密度非常大的天體，那么，在黑洞與物質密度相對極小的宇宙空間兩者應該是有分界面的。根據光的反射、折射原理，當光投在兩種物質的分界面會有反射和折射現象的，這一點已經從宇宙中所有不發(fā)光天體都能夠反光得到證實，無一例外，所以，從黑洞不能反射光線這一點說明“黑洞”雖然有很強的吸引力，但是它的物質構成密度非常稀薄，還不足以達到反射光線的程度（并不是光線由于被它吸引無法脫離而不能反射），當光線與它相遇時，只能是穿它而過了，沒有明顯的光反射和折射現象，這是不能用光來探測其的原因。由于黑洞是一個引力極強的天體，擁有超大的質量。我們可以假設黑洞的內部結構，我想黑洞在那個奇點是時間和空間的無限大，同時也是引力和質量的無限大。這看上去好像很矛盾，其實不然，就像是在空間中某一點，那里空間和質量打結了，而時間卻總是一直停住。但是，霍金證明了，黑洞并不是只會吞噬東西，而是也會向外發(fā)射粒子，他的證明過程在這里就不說了。我想，既然黑洞會向外發(fā)射粒子，由于黑洞相對于哪個方面來說都是一樣的，這也說明了，黑洞向外發(fā)射粒子是全方向的。所以在振蕩區(qū)有粒子向外發(fā)射的。黑洞就像我們生活的宇宙嗎？宇宙里所有的星系加起來可能有100，000，000，000個，我們假定它們都塌縮成一個黑洞。這個黑洞包括了宇宙里所有的物質，它的直徑將是10，000，000，000光年，而它的密度則相當于一種極其稀薄的氣體的密度。然而，不管這種氣體是多么稀薄，從結構上說它總算是一個黑洞。我們假設，宇宙的全部質量是天文學家估計的2．5倍。在這種情況下，這個質量形成的黑洞的直徑就是25，000，000，000光年，這正好和我們居住的這個宇宙的直徑(就我們所知而言)差不多。這樣，整個宇宙本身就很可能是一個黑洞(就象物理學家桑思所假設的那樣)。黑洞是不僅存在在我們的宇宙中，而且它的觀測是用間接手段的，在宇宙的中它可能是由三種途徑來形成的。由于它的引力之強大，我們很難靠近它，它的結構只能在發(fā)現的形象中猜測。黑洞又一次證明了霍爾丹論述的正確論“宇宙不僅比我們想像的更為奇妙，它比我