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黑洞到底是宇宙的一个窟窿还是个实打实的天体?如果是个窟窿,宇宙的窟窿外是什么
我们称呼黑洞,常常形容其为宇宙中最恐怖的天体,可是如果单单看黑洞这两个字的语意的话,你可能会觉得这是一个洞,那么黑洞到底是洞呢还是天体呢?
想要理解这个问题,不妨先来看一看黑洞是怎么形成的,黑洞,是宇宙中最恐怖的天体,没有之一,在我们的印象中,天体一般都是球体,但是黑洞却很奇怪,它一不像太阳可以发射光,二不像地球可以反射光,虽然叫做天体,但是只要是进入黑洞的光线,就没有能够逃出来的,所以啊,原则上来说黑洞是不可以被直接观测到的,理论上的黑洞其实不是一个洞,也不是一个球,而是一个点。
这个点叫做奇点,而宇宙诞生之前,其实也是一个奇点,这个奇点密度无限大,体积无限小,时空曲率无穷大。黑洞形成之前,它是一个天体,准确点来它是一颗恒星,而且是一颗比太阳还要大的恒星,恒星的生命也是有限的,它们依靠内部的核聚变提供能量发光发热,核聚变的辐射压也是支撑它不会在自身巨大的引力作用下塌缩的保证。可是有一天它的核燃料消耗得差不多了,辐射压无法与自身的引力相抗衡,那么它就只有向内收缩,最终形成一个奇点。
黑洞是无法被直接观测到的,但是我们可以间接观测到它们,黑洞是一个吞噬一切的无底洞,在它们吞噬物质的时候,它们是通过自身强大的引力将物质一点点吸引过去的,这些物质在足够靠近黑洞的时候运动速度都是很快的,它们之间相互碰撞,释放出伽马射线,这样一来虽然我们不能直接看到黑洞,但是却可以通过发光的黑洞吸积盘来判定黑洞的存在,如果你看过《星际穿越》的话,你应该对黑洞的模样不太陌生。
总的来说,黑洞是一个天体而并非一个洞,虽然理论上的黑洞只是一个点,但是它的影响范围却是实实在在的球体,黑洞的引力,在三维空间中的分布在各个方向都是一样的,这一点跟洞应该是有很大的不同的。另外,假想如果黑洞真的是一个洞的话,那么是不是可以理解为黑洞在其侧面看过去没有厚度呢?事实情况显然不是这样的,黑洞根本没有正面侧面之分,这和球形的天体是一样的。
本文来自镜像科普
什么叫客观?就是没有歧义,所有人理解起来都是一个意思。比如这个题目所提出的问题,就有自问自答之嫌,什么叫窟窿?什么叫实打实的天体?根本没有给出一个定义。这样你可以说是这样,他就可以说成是那样,没有一个统一标准做衡量,怎么裁判?
实打实的天体是什么?谁能说的清楚吗?时空通讯认为,宇宙中存在的一切都是实打实的天体,包括星云、恒星、黑洞、行星、小行星碎片、尘埃都算。
窟窿是什么?是没有还是真空?事实上宇宙根本没有绝对的真空,只有真空度的不同,一个立方米只有1个粒子,就是最真空的真空了。而且根据量子力学海森堡不确定性理论,量子涨落随机会在真空中出现,甚至宇宙大爆炸就是这样出现的。
黑洞是大质量恒星死亡的尸骸,是超新星大爆炸后中心残留物质坍缩形成的,具有质量、角动量、电荷。虽然不能直接观察到,但其巨大的引力场会对自己周边物质和天体会造成扰动和影响,科学家可以从这些迹象获得其存在的位置、活动轨迹和质量。
凭着对黑洞性质的这些了解,科学家已经通过巨大的EHT视界望远镜阵列,拍摄到了黑洞的真实照片,并在全世界同步发布,进一步证实了爱因斯坦100年前的预言无比正确,彰显了这种特殊天体的证实存在。
黑洞不是一个洞,物质掉进黑洞后并不会一穿而过,而是被无限的引力曲率撕碎拉扯到无底的深渊那个奇点里,这个奇点已经变形为超时空的东西,不属于三维时空了,但其质量曲率还明显的在那里。
至于所谓窟窿,很难定义。有人老拿我们日常生活事情来幻想,墙上有个窟窿就可以穿越墙外。但宇宙中没有这样的墙,在宇宙边界无限曲率下,你只能沿着弯曲的时空走,每秒钟30万公里速度的光线也不例外,因此宇宙没有窟窿可以穿越其外。
爱因斯坦预言的虫洞,或称时空隧道迄今尚没有存在的证据。即使真的存在,也不是本问题描述的“窟窿”,而是引力漩涡导致的一个时空细管,是连接两个远距离时空的一条捷径,这条捷径出不了宇宙,只是在宇宙的时空曲率中穿梭。
这些都是天文物理学常识,如果没有基本的常识认知,实无法理解上述一些概念和原理的,让我们共同多学点基础知识吧。
一般在天文学上把黑洞看成一种特殊的天体。之所以特殊,是因为黑洞存在一个视界,视界线之内的任何讯息都传输不出来。也就是说,在某个范围内,黑洞完全是“黑的”,因为就连光子都逃不出去。我们远远看去,就像是宇宙中存在着一个漆黑的球状大洞。当然了,犹豫黑洞的引力极强,我们看到的黑洞形状可能并不是完美的球形。
黑洞内部有个奇点,该点集中了黑洞所有的物质。奇点几乎没有任何体积,但是密度却大到无法想象。犹豫密度太大,所以根据爱因斯坦的时空理论,奇点把空间可以“压”的无限弯曲,就好比一个无限深的洞一样,任何事物落入其中都无法出来。这样的黑洞就像是把宇宙撕了一块下来,好像是宇宙破了个洞,破了一个窟窿。
肯定会有人问,黑洞到底通向哪里呢?
这个问题即便是对黑洞最了解的霍金也无法告诉你。因为黑洞内部和我们的时空是完全隔离的,进入里面的任何物质都出不来。我们无法探测黑洞内部,黑洞就好比不属于我们的时空一样。有人猜测,黑洞或许连接着另外一个宇宙,在我们宇宙,黑洞产生的是吸引力,而在另外一个宇宙,它就是一个向外吐物质的白洞。
当然了,要想证明这个理论很难,因为我们进入黑洞就出不来了。不过,如果我们在宇宙中能够发现白洞的话,或许会增加些许证明。一般我们是将其视为天体看待的,但由于黑洞的独特属性,和其它天体还是有很大区别,比如最常见的史瓦西黑洞,它内部实际上就是一个无体积的奇点,理论上可以认为是空无一物的,虽然不是窟窿,但似乎离正常的天体也相差很远。
黑洞分为四种,以是否带电和角动量为标准,有刚才我们提到的史瓦西黑洞,它不带电、没有角动量,只有质量一个属性;还有就是除了质量以外,只带电的莱诺黑洞;只有质量、角动量,不带电的克尔黑洞;最后就是三种属性都带的克尔纽曼黑洞。
今天我们重点从史瓦西黑洞进行讲解,因为这是它是四种黑洞中结构最简单,网上好多科普都是以它为黑洞代表。
爱因斯坦当年在提出广义相对论后,由于引力场方程的求解十分困难,本以为不会再短时间内有人找出解,谁想到第一个精确解竟在1916年就被德国物理学家史瓦西求得,他给出了一个静止的、无自转天体对时空各部分会造成什么样的影响。
随着科学家对这个精确解进行后续研究时,发现了两个奇性存在,其中一个奇性被证明是数学上的,也就是说可以通过坐标变换消除,而剩下的一个奇性却是物理上的,通过数学手段无法消除,而这个奇性所对应的位置就是史瓦西黑洞的中心,称之为奇点。
而刚才一开始说的奇性,其位置则在我们现在称之为史瓦西半径的边界上,这是一个很重要的边界,是区分黑洞与外界的位置,也就是我们常说的事件视界,宇宙中任何物体一旦踏足事件视界,就失去了再次返回宇宙空间的机会。
用牛顿力学去理解这个事件视界,就是要从逃离此处的物体,其速度必须大于光速,但光速是物体运动速度的上限,除了光子等无静止质量的物体之外,没有谁能达到。(不知道大家有没有看出来,刚才这句话实际上是前后矛盾的,因为光速上限是狭义相对论中的结论,而牛顿力学中速度没有上限,原则上如果考虑了狭义相对论就不要再考虑牛顿力学了,实际上说光速上限,也是不准确的,当然了,着涉及到四维时空的几何语言,这里不多说了)
如此看来,就连光都无法逃离的事件视界,那么物体一旦越过事件视界,那么它的一切信息就意味着与世隔绝了,处于黑洞外部的我们,没有任何办法能够监测到物体进入事件视界后的变化。不过幸运的是,科学家们对史瓦西黑洞的深入研究发现,物体一旦进入黑洞,那么它将会不可避免的掉进史瓦西黑洞的中心——奇点。
什么叫做不可避免呢?打个比方,一架飞船越过了事件视界,但由于这颗史瓦西黑洞的质量非常巨大,以至于它在事件视界处产生的潮汐力很小,所以飞船可以安然无恙的进入黑洞(不会被潮汐力解体),虽然飞船自身,甚至于里面的人员都不会感到什么身体上的不适,但它们距离黑洞奇点的距离却随着时间的流逝,不断的缩短,也就是说,即便飞船开足马力,都无法阻止飞船不断接近奇点的这个过程。
“惹毛了,我要把天捅个窟窿,如果爱因斯坦同意的话。”
首先,黑洞是无法用语言精确描述的,就连最牛逼的科学家也无法做到。其次,我们现在对黑洞的各种解读仅限于概念描述,我们一直试图用更贴切的类比来描述黑洞。所以从不同的角度,黑洞也就有不同的解读方式。
在天文学中,黑洞当然属于一种特殊的天体,但以量子力学来看,你也可以把黑洞理解为一个时空窟窿,大小为普朗克尺度。
但至少我们现在都知道,黑洞是恒星消亡的产物。
恒星的诞生与消亡都源于引力。
引力虽然微弱,但却是一种可无限叠加的宇宙之力,巨大的天体则可以把它叠加到一个恐怖的程度。
在自身的重压之下,天体通过点燃其核心的氢聚变与其抗衡,内外之力形成一种动态的平衡,一颗恒星就耀世而生了。
但太过耀眼的恒星,都有颗阴郁的心。
一颗恒星一旦聚变到铁元素,就是它铁了心想死的时候了。铁聚变无法再释放能量以抵抗自身的重力。一瞬间,平衡被打破。恒星在自身的重力下走上末路,发生塌缩。物质被压缩到一个极小的范围内,最终塌缩为一个密度无限大的点——一个物理学上即存在也不存在的点,称为奇点。
黑洞是宇宙中的空间,就是恒星与行星背面的空间,太阳只能照射恒星与行星对面的这个面,而恒星和行星的背面太阳照射不到的就是黑洞,黑洞在宇宙中就是一个球体到另一个球体中间空隙,太阳又照不到的背面就是黑洞,黑洞不能称天体,窟窿都在宇宙内,宇宙没有内外之分。
说黑洞是窟窿,不准确。黑洞是缺失天体,来自宇宙大爆炸后留下的一个宇宙坑。每个星系都是一次宇宙大爆炸后形式的。宇宙大爆炸来自暗能量,暗能量来自宇宙极寒温度,奇点就是暗能量压缩形成的
牛顿是第一个对引力进行总结归纳的人,他的万有引力定律阐明了“质量越大引力越强”,这个事实
然而牛顿既不清楚引力的产生机制,也没意识到万有引力定律的局限性(当然这不怪他),这为后来爱因斯坦广义相对论的诞生,埋下了伏笔。
1915年,理论物理学家爱因斯坦终于完成了他的广义相对论,这个有关引力的新理论,将引力的本质解释为了“质量引起的时空结构变化”,科普常用的说法,“是质量扭曲时空,进而产生了引力”
在广义相对论体系中,时空结构是可以被质量随意扭曲的,而扭曲的后果之一就是“偏折光线”,卡尔.史瓦西在一战前线计算出广义相对论引力场方程的第一个精确解后,科学界知道了如果质量堆积于时空一点,那么经过该时空区域的光,将偏折成闭环。
在恒星物理学中,一颗恒星的核心质量如果超过了太阳质量的2.44倍,那么它在超新星爆发后,其核心区域将坍塌成一个质量极大的新天体,这个天体的逃逸速度将超过光速,因此在外界看来,它将是黑色的。
以上就是黑洞的形成过程和具体形态
需要指出的是,人类目前对黑洞的一切了解都还局限在理论上,没人知道黑洞内是什么情况,尽管大部分人都认为黑洞的引力会撕裂任何靠近它的物体,但个别老年黑洞有可能像《星际穿越》中的卡冈图雅一样“温和”
同样是在广义相对论中,时空结构还可能扭曲成沟通两个区域的“爱因斯坦-罗森桥”,这种特殊的时空结构被称为“虫洞”,有物理学家认为在宇宙大爆炸初期的高温宇宙中,虫洞是天然存在的时空结构,但随着宇宙的膨胀冷却,今天的宇宙已经不可能再出现天然虫洞了。
不论是黑洞还是虫洞,它们本质上都属于时空结构的特殊变化
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