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不是有人说黑洞的体积无限小吗,怎么又有人说是太阳体积的6000多倍,怎么解释?
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回答你的提问首先要了解什么是黑洞,黑洞是在一个巨大天体中产生的,它位于这个天体的中心,其体积约是太阳的几百万倍,黑洞不是我们所说的真洞,而是经过巨大压缩下形成的、带有非常强大的磁场引力的漩涡体,我们的地球如果进入银河系中心黑洞,恐怕被压缩成一个乒乓球那么大小。所以,黑洞不是无限小,而是它的一点一滴的体积如果释放的能量的话,会是非常巨大的。我们的“银星”爆炸成银河系之前,它最少是太阳的2亿倍,其中心黑洞的压缩能力只怕太阳在那时会被压缩成一个气象气球一样大。
不是有人说黑洞的体积无限小吗,怎么又有人说是太阳体积的6000多倍,怎么解释?
因为根本说的是两东西,这是科普中最容易出现的概念混淆。有些人说黑洞体积无限小,说的是黑洞奇点,而一般说黑洞体积,实际指的是事件视界。
什么是事件视界?
1915年,爱因斯坦广义相对论问世以后。一个远在第一次世界大战德俄前线的炮兵上尉,史瓦西第一个为相对论场方程求出了一个解。
这个解最大的价值,就是发现了天体的最小极限半径,称为史瓦西半径。
半径公式为R=2GM/v^2,当v=c时,即为半径的极限值。如把任何物质压缩到史瓦西半径之内,物质就会发生坍缩形成一个“黑洞”。中心点的时空会弯曲到无穷大,就像时间和空间在这里打了一个结。
而这个中心点被称为“奇点”也就是黑洞的真身,体积无穷小,且质量无穷大。
根据这个解,如果把太阳压缩到R≈3公里,或把地球压缩到巧克力豆这么大,就会成为一个黑洞。
而史瓦西半径,同时也是光无法逃逸的半径距离,以史瓦西半径形成一个球面,称为事件视界。任何进入事件视界的光,将无法出来,所以从远处看,就像一个黑色的洞。
因为讨论奇点的体积没有意义,所以通常说的黑洞体积指的是黑洞的事件视界。
黑洞理论的完备描述,其实是1939年之后。
首先是奥本海默的贡献。他对黑洞的形成做了完整的阐述:
一个无压力的球体在自身的引力作用下坍缩到史瓦西半径的时候,如果这时候球体的质量比临界质量大,那么引力坍缩之后就不可能达到任何稳定的状态,只能形成黑洞。
然后,随着众多科学家的相继参与,黑洞理论基本成熟。
科学界大致把黑洞分为三种:恒星黑洞、星系黑洞和原始黑洞恒星黑洞:恒星死亡时,发生超新星爆炸后,中心残骸大于3.2倍太阳质量,就会在巨大的自身引力下坍缩,最后成为一个黑洞。
星系黑洞:星系中心的密度非常之大,恒星之间容易发生碰撞合并,形成质量非常大的天体,这些超大质量天体坍缩,形成太阳质量1亿倍的黑洞。
原始黑洞:宇宙大爆炸时期的巨大能量,把一些物质挤压得非常紧,形成初级的黑洞。可以只有一个基本粒子那么大,质量却和小行星差不多。
实际直到1967年,“黑洞”这个名字,才被正式叫响。
1967年,美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)在当年12月纽约的一次演讲中首次使用了这个“黑洞”术语。
然而后来惠勒透露,这个名字是几周前的另一次演讲中某位听众建议的。但追踪黑洞历史的MIT教授Marcia Bartusiak发现,在1963年12月达拉斯举行的一个天体物理学会议上,已有人使用了黑洞这个名字,并刊登在了1964年1月24日一期的《生活》杂志上。《生活》杂志的科学编辑Al Rosenfeld出席了会议,在新闻报道中使用了名字黑洞。
Rosenfeld表示记不清是谁说的。在该期《生活》杂志出版一周前,《Science News Letter》的记者Ann Ewing也报道了这次会议,描述一种强大引力场可能会导致恒星塌陷,形成“黑洞”。Ewing也没有指出是谁提出了这个名字。对天体物理学掌故了解颇深的天文学家Virginia Trimble称,有人认为是研讨会的组织者、物理学家邱鸿毅(hong-yee chiu)。
但邱鸿毅告诉Trimble他也不是第一个,他记得在1960年或1961年普林斯顿的一个研讨会上,物理学家Robert Dicke在描述一个引力塌陷物体时使用了加尔各答黑洞这个名字。
也就是说“黑洞”这个名字,最早到底来自谁,无从考证。
实际上宇宙大多数黑洞都是克尔黑洞
史瓦西解求出来的黑洞,是一种理论上存在的,无旋转的静态黑洞。但对于恒星坍缩成的黑洞来说,都会带有自旋。
1963年,新西兰人罗伊·克尔从广义相对论场方程中解出了另一个解,用于描述旋转的黑洞,称为克尔黑洞。
这种黑洞,和我们日常认知的黑洞最大的不同,不仅是会旋转,而且并不是圆形。因为旋转的黑洞会使赤道附近膨胀,鼓起来。而且转的越快鼓得越厉害。
并且中间我们所谓的 “奇点”在克尔黑洞里会变成一个“奇环”。
结语
当然关于黑洞的知识还有很多,这里暂且就说到这了。黑洞的奇异性,是所以天体中最独特的,也是最神秘的。
我是想法捕手,喜欢科普,更喜欢脑洞。一切以科学为线索的想法,都是值得玩味的。赞成就关注吧!
黑洞不是洞,在时空中它表现为一个球体,黑洞有一个封闭的事件视界,任何进入事件视界的物质,就再也不可能逃逸出去,而平常我们所讲的“黑洞的体积”就是指黑洞的事件视界。一个黑洞的事件视界的大小,可以通过它的质量来计算出来(有兴趣的小伙伴可以参考史瓦西半径的相关公式)。
那为什么有时候又说黑洞体积无限小,密度无限大呢?其实这指的是位于黑洞中心的奇点,下面我们来看一下为什么黑洞这个奇点是怎么来的。
牛顿告诉我们,凡是有质量的物体都会产生万有引力,这种力有三种特性:1、它只有吸引力,没有排斥力;2、它是长程力,而且可以无限叠加;3、它的强度很小。
宇宙中的各种天体,其产生的引力的方向都是指向自身的中心,因此它们的核心都会受到来自于自身的引力的压迫。这时引力就表现为重力,其目的只有一个,就是尽自己所能将天体压缩到最小。因为引力的强度很小,所以一般的天体比如说行星,仅凭电磁力就可以抵抗住重力的压迫。
而对于质量更大的天体,由于引力的叠加,其核心承受的重力也就随之提高,这个天体核心的温度和压强也会随之增加,当超过到一个临界值的时候,就会点燃氢的核聚变,核聚变将会产生向外的辐射压,这样就抵抗住了重力,以免自身进一步坍塌,这时这个天体就变成了一颗恒星。
看到这里也许有人会问了,为什么大质量的天体一定主要由氢组成的,不能够是像地球这样的岩石行星吗?其原因就是宇宙的元素丰度,从较大的范围来看,宇宙中的元素都是按一定比例分配的,其中氢元素占了绝大多数。
如果一颗恒星的质量足够大,那么其巨大的重力将会使它的核心引发一轮又一轮的核聚变,在这个过程中各种轻元素一级一级地聚变成更重的元素,一直到铁元素的出现。需要指出的是,质量较小的恒星都不能聚变出铁元素,通常情况下它们会在之前的某一阶段就停止核反应了,例如太阳。
由于铁元素的聚变不再释放能量,恒星内部就失去了抵抗重力的能量,这时恒星就会在重力的作用下开始坍塌。随着恒星体积的缩小,新的力量又会阻止重力,即简并压。
简单的讲,简并压就是基本粒子的排它性,它们不允许其它的基本粒子占据自己的空间。根据现代物理学的描述,简并压可分为三种层次,即电子简并压、中子简并压以及夸克简并压。
但大质量恒星自身的重力会将这三种简并压力全部碾碎,它会将电子压入原子核,使其与核内的质子形成中子,然后将中子压碎变成夸克、最后再将夸克也……
在夸克之下,还有什么力量可以阻止重力呢?我们现在还不知道,于是科学家们只有无奈地得出结论,巨大的重力将会把恒星无限地压缩,形成所谓的“体积无限小,密度无限大”的奇点。
总而言之,黑洞就是宇宙中“大力出奇迹”的典范。从理论上来讲,在更微观的层面上,一定存在着其他的机制,相信随着科学的进步,黑洞的奇点之谜最终会真相大白。
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