隐形人读书会164期——《黑洞》总结
陈教授详细解读了太阳的概况，光从太阳表面射到地球约8分钟，光是太阳核内部大量的氢发生核聚变生成氦而产生的，到太阳表面需要约2万年，所以我们每天见到的太阳光应该是在2万年之前产生的；太阳每秒钟减少40亿公斤质量，经过科学计算，这样太阳还可存在50亿年，太阳最后会失去光泽变成白矮星，这么长的时间内，地球也会发生变化，大概到10亿年后南极会变成绿洲，20亿年后地球可能无水，；生命的源泉——太阳，产生的太阳风，太阳风暴，磁场，辐射，每时每刻都在影响着人类的生活；大量的统计资料分析表明，太阳黑子活动以11年为一个周期，太阳黑子会产生太阳风暴，即从太阳大气层射出高速带电粒子流，从而影响地球磁场空间，干扰人类的正常生活。
报告说理有据，科学分析，图文并茂。报告强调人类科学探究太阳才300年，而人类生活的地球还有20亿年（有水的状态），随着科学发展，人类一定会找到更加适合自身生存的环境，根本不需要担心世界末日，引起听众的共鸣。近500人聆听了讲座。
来自: 黑洞 2011-04-28 11:19:35
本期读书会内容主要基于这两个关于黑洞的纪录片：
探索频道——宇宙有道理：黑洞
http://v.youku.com/v
BBC-视野系列之超大质量黑洞
http://v.youku.com/v
1、星空璀璨，自古以来引无数诗人学者赞叹不已，今日物理学要把星空拉回人间，甚至要深入星空之外那看不见的深渊中去。如此并没有破坏宇宙之美，反而揭示出宇宙更雄浑精巧的创造。自二十世纪相对论和量子力学的创立以来，物理学发生了翻天覆地的变化。特别是在宇宙学领域二者的结合取得了丰硕的成果，关于宇宙创生和演化的“宇宙大爆炸”理论已成为我们理解宇宙的标准模型。而“黑洞”是现代宇宙学预言的最怪异的创造之一。它有巨大的引力，光线都不能逃脱，因此是“黑”的，但黑洞也会“蒸发”。它是巨大恒星生命终结后的产物，也许也是孕育新星系的种子。黑洞是隐形的，但它在宇宙中普遍存在，甚至就在我们的银河系中。黑洞吞噬一切，白洞吐出一切，或许还有虫洞将二者相连。黑洞是理解我们生存其中的宇宙的关键之一，它本身就是宇宙的一个缩影。霍金、彭罗斯等物理学家在《时间简史》《宇宙的最初三分钟》《时空本性》等一系列半科普类著作中给我们展示了神秘而奇妙的宇宙，包括黑洞，各种媒体上也有《宇宙大爆炸》《宇宙有道理》等面向大众的介绍。本期读书会试图更简化的为大家介绍黑洞怪异性质背后的原理，而不用到让人望而却步的数学。
2、如何理解黑洞是个什么东西，能否从常识角度来理解？我们知道，往天上扔个苹果，苹果会掉下来，砸到牛顿，从而发现万有引力。但是如果扔的太猛，苹果就能像月亮或者人造卫星一样，绕着地球飞，要达到这个目的，苹果扔出去时所需要的速度称为第一宇宙速度。如果扔得再快些，苹果甚至能够脱离地球的控制，这时的速度成为第二宇宙速度。以此类推，要跑出太阳系需要达到第三宇宙速度。以上可以看出，质量越大的天体，对周围的物体引力越大，物体逃离需要的速度越大。假如有一个天体，其引力使得物体需要光速才能逃离，由于光速是宇宙的极限速度，所以可以说没有任何物体能够从该天体周围逃离，这样的天体就称为黑洞。
3、从牛顿的经典物理学角度可以形象理解黑洞，但这样只能解释有质量的物体会掉进黑洞，而光是没有质量的，也会被黑洞吞掉，这就需要祭出爱因斯坦的看家本领相对论了。广义相对论认为，有质量的物体会使周围的时空扭曲，这种扭曲的表现形式就是引力。就像在一张软垫子上放个铅球，垫子会被压得陷下去一点，铅球就是天体，垫子就是时空。光线在时空中传播的时候，总是走直线，但是时空本身是弯曲的，所以看起来光线被弯曲了。原则上一切物体，太阳地球，包括我们自己，都会使周围的时空扭曲，但一般情况下，这种扭曲量太小，所以我们不能借此证明第六感。但是黑洞使其周围时空弯曲得如此厉害，以至于形成一个闭合的圈，光沿着这个圈走，认为自己在走直线，实际上是在环绕黑洞。就像在地球上一直向东最后会环绕地球一圈回到原点一样。
4、在《时间简史》中，身残志坚的物理学家霍金用“光锥”来描述时空扭曲现象。任何事件——比如太阳爆炸——都可看作四维时空中的一个点，即表示某时某地发生某事。以时间为纵轴，空间为横轴，则事件与时空中其它可能发生联系的时空可用四维的“过去光锥”和“未来光锥”来表示。整个光锥形似沙漏，过去光锥表示可以影响到太阳爆炸的时空范围，而未来光锥表示太阳爆炸可能影响到的时空范围，光锥之外的时空与太阳爆炸没有任何联系。光锥的边缘，由极限速度光速来区分。比如，太阳爆炸一瞬间，地球处于与太阳同时但不同空间位置，所以处于光锥之外，所以不能得知太阳爆炸的消息，光需要8分钟才能传到地球，所以8分钟后地球才进入太阳的未来光锥中，看到太阳爆炸所发出的光。对正常的时空结构来说，光锥就是标准的锥形，但黑洞可以使时空扭曲，使光锥变成一个圆筒。边界以外光线可脱离，其边界上，光线即不能远离也不会靠近，只能绕着黑洞跑，其内部的物体则不能脱离。
5、解释了黑洞是什么，接下来的问题是黑洞是如何形成的？近代物理的发展发现，宇宙中所有的力其实只有四种：引力、电磁力、强力、弱力。其中引力和电磁力在日常生活中都很常见，后两种主要在原子核内起作用，强力是原子核内把质子和中子们粘在一起的力，弱力是原子核衰变时起作用的一种力（日本福岛核电站的辐射就是弱力在搞鬼）。这四种力中，引力最弱，在微观世界里引力几乎可以忽略不计。但是引力会随着质量的增大而增大，而宏观物体大部分都不带电，电磁力往往相互抵消，强力弱力在宏观世界也不起作用，所以引力反而成了主宰星体运行的关键因素。经过计算，如果地球被压缩到只有一个高尔夫球大小，质量不变的话，就会形成一个黑洞。为什么地球不变成黑洞？因为地球的引力还不够强大，有原子与原子间的电磁力在抵抗，两边平衡，所以地球还是半径6000公里的大球。
6、黑洞的形成依赖那些比地球大得多的天体——恒星。恒星主要由氢和氦构成，简单来说就是个大气球。恒星内部由于引力的强大挤压，产生高温高压，使氢发生核聚变反应变成氦，所以太阳又是颗大氢弹。热核反应产生向外膨胀的压力抵抗引力，所以恒星能维持很大的体积。热核反应还不断锻造出越来越重的元素，最终会炼出铁元素，所以恒星又是个炼钢炉。但是燃料总有烧完的一天，当恒星生命终结之时多半会在一次爆炸中结束生命。喷出的炉渣在万有引力作用下又聚集起来，就形成了像地球这样的恒星，所以我们每个人都曾经属于某颗恒星的一部分，想想都很奇妙呢。根据恒星质量的不同，恒星死亡后有三种结局：白矮星、中子星和黑洞。我们的太阳质量是地球的30万倍，但在恒星界里还算小个子的，50亿年后，太阳耗尽燃料，先膨胀成红巨星，再喷出外层，核心收缩成一个地球大小的高密度球。开始时发出白光，后来慢慢黯淡，最后变成黑矮星——一个脏乎乎的大煤球，据猜测，在脏乎乎的外表下，有一颗地球那么大的钻石。
7、比太阳大几倍的恒星之死会壮烈得多，它们会在一次剧烈的爆炸中结束生命，爆炸时产生的能量使其光芒超过一整个星系，称为超新星。中国史书上称为“客星”，就是突然出现的星星。现在用哈勃太空望远镜，观察到的蟹状星云，就是1064年宋朝时看到的超新星遗骸。超新星爆发后的核心，有些变成了中子星，一种个头很小，质量很大的天体，有些中子星因为有磁场和自传会规律性的发射电磁脉冲，地球上接受到这些脉冲时曾一度以为是外星人的信号。那些最剧烈的超新星爆发是黑洞诞生的标志。在燃料烧完的一瞬间，恒星的核心在无法抵抗的万有引力作用下坍缩成一个小黑洞，然后黑洞就开始大口大口吞噬恒星的剩余部分。恒星外层在被飞速吸进黑洞时相互摩擦产生几百万度的高温，在超新星两极形成两道强力电磁辐射，称为“伽玛射线爆”，其能量如此之大，可以将地球直接蒸发，幸好大部分超新星爆发都发生在银河系之外。伽玛射线爆之后，恒星外层爆炸开，留下中心的看不见的黑洞。正是通过观测伽玛射线爆，可以了解宇宙中黑洞的数量，目前看来，黑洞在宇宙中到处都是，至少有几十亿颗这样的怪物在宇宙中流窜，吞噬途经的一切。
8、黑洞如此之多，看来地球要小心了，有必要多了解一些黑洞的性质。那么除了胃口大之外，黑洞还有什么特性呢？按照数学家兼物理学家彭罗斯的计算，黑洞中心是个奇点，那里引力密度都无限大，所有已知的物理定律都失效。其实由于黑洞是黑的，我们无法看见黑洞内部 到底发生了什么，只能看到黑洞边缘光线逃逸的边界——视界。但确实有一些间接的办法来“看见”黑洞。假如一颗恒星在黑洞周围，我们就能看到恒星的气体被螺旋着扯向一个区域，区域的两极会有能量喷射，时间足够长的话，恒星会被黑洞完全吃掉。在黑洞视界外，时空扭曲没那么厉害，但光线仍被弯曲，这时就像大质量星系一样，黑洞成为一个“引力透镜”，使遥远的星光弯曲，重新聚焦，出现多个像。除了空间扭曲效应，黑洞还可扭曲时间，在黑洞附近时间流逝缓慢，黑洞内部时间静止。假设一个勇敢的宇航员决定前往黑洞，他在掉进黑洞之前，头部和脚部受到的引力之差就会把他拉成一根长长的意大利面条，然后迅速被吞没。但在地球上的观察者看来，宇航员朝黑洞下落的速度越来越慢，最后干脆停了下来，即使等上一辈子也看不到宇航员掉进黑洞的景象。
9、黑洞无毛。黑洞吞噬一切，从外部观察，黑洞只有质量、角动量，以及电荷三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他的信息如同毛发一样都消失了，这一性质被霍金形象的称为“黑洞无毛”定律。但这一性质似乎与热力学第二定律相矛盾，后者说任何孤立系统的熵总是趋向增加，其中熵是系统混乱程度的度量。从某种意义上讲，热力学第二定律规定了物理过程进行的方向，即时间的方向。尽管物理公式都像化学中的可逆反应一样可以双向进行，但实际的物理过程总是单向的。比如将一杯冷水和一杯热水放在一起，最后二者温度会相同，而不会出现两杯温度相同的水放在一起，变得一冷一热的情况。墨汁滴在水里总是扩散开来，而不会出现墨汁自动聚拢的现象。有关热力学第二定律的进一步讨论可参考《时间之箭》。熵有很多种表现形式，从信息量上衡量，孤立系统的信息量应该增加。但黑洞吞噬物体的同时把信息也给吞掉了，肯定有什么地方不对劲。
10、黑洞不黑。后来进一步的研究表明，为了满足热力学第二定律，黑洞必须不那么黑，它必须向外辐射，以维持信息量的平衡，称为“黑洞蒸发”。也就是说黑洞不仅仅只是吃东西，有时也会外吐，但是连光都逃不出黑洞，黑洞怎么能够吐东西出来呢？解决的方式很巧妙，确实没有任何东西能从黑洞内部——视界之内逃出，但在视界之外靠近黑洞的地方，物质和辐射还是有可能跑掉的。由于量子力学预言的真空涨落，从真空中会随机的产生成对的一些粒子，比如说正电子和负电子，其中具有负能量的一半被黑洞吸入，正能量的一半逃离黑洞，这样从总的效果来看，黑洞能量减小，并且往外辐射。更详细的解释需要量子力学基础，呵呵。总而言之，如果没有东西喂给黑洞吃的话，随着黑洞的蒸发，其质量会减小，最后也许会在一场爆炸中消失。
11、太初黑洞。黑洞蒸发的速度取决于黑洞的温度，个头越小温度越高，蒸发得越快，而大个的黑洞其温度甚至比周围的环境温度——宇宙微波背景辐射都要低，所以蒸发小于吸收，只有等宇宙继续膨胀，背景温度继续降低后才会损失质量。在宇宙诞生之初，温度和密度都非常的高，那时可能较容易产生黑洞，称为“太初黑洞”，其中较小的太初黑洞早已蒸发完毕，但那些质量非常大的也许还没有被蒸发，如果找到这样的太初黑洞，就可帮助我们研究宇宙早期的演化过程。
12、超大质量黑洞。科学家可能已经找到了太初黑洞的候选者——超大质量黑洞。目前主流的宇宙演化理论即大爆炸理论主要由两部分构成，其一为宇宙诞生之初的理论，其二为恒星的演化理论。但中间缺了一个部分，即星系的形成。大部分星系包括我们的银河系都呈扁平状结构，大小各有不同，中心有个恒星密集的核，为什么会是这样？星系到底是怎么形成的？哈勃太空望远镜望向目前人类所能及的宇宙最深处，看到了宇宙早期正在形成的星系——恒星的摇篮——类星体。在浓密的尘埃中有星光闪现，恒星就在那里产生。在宇宙早期，温度和物质密度都非常高，恒星质量也非常巨大，由于质量越大燃烧越快，这些恒星都迅速变成黑洞，许多个小黑洞不断合并变成大黑洞，最终形成超大质量黑洞，其质量至少超过太阳质量100万倍，甚至还观察到200亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这种巨型黑洞不断将越来越多的气体吸入，气体在被黑洞吸入过程中相互摩擦产生数百万度的高温，使整个类星体发出夺目的光芒，高温涡旋气体还在类星体两极产生强烈的喷射，所以尽管距离遥远，望远镜还是能看到它们。气体在非常高温情况下膨胀，会将外围的气体吹走，类星体中心的超大质量黑洞没有更多气体吞噬，就逐渐安静下来，一个稳定的星系就形成了。超大质量黑洞促进星系的形成，并决定了星系的大小和扁平结构，可以说是星系之父。这个研究发现也意味着，每个星系中心，包括我们的银河系中心，都有一颗超大质量黑洞。在如此近的距离上，应该有可能直接看到这个银河黑洞的轮廓，但黑洞体积太小，而且被密集的恒星群包围，观察上有一定难度，目前科学家正在努力。
13、进一步猜想。时空旅行往往是科幻小说的题材，其中回到过去时间倒流的设想在因果关系上会遇到解释上困难，但利用黑洞倒可以实现另一种时空旅行——回到未来。由于黑洞附近引力很大，时间变慢的效应比较明显，如果乘坐宇宙飞船从地球到黑洞，非常小心的在黑洞视界周围绕黑洞飞行，过一段时间后再回到地球，理论上就可以到达未来的地球。但是以目前人类的科技，到达我们小小的太阳边缘就需要约2000年，更别谈到达银河系中央了。但黑洞奇异的性质又给我们一点希望，如果黑洞使时空扭曲得如此厉害，直接穿透了，则有可能通过称为“虫洞”的地铁系统，实现快捷的时空旅行。更有一种设想认为，黑洞与宇宙的演化非常类似，每个黑洞也许就是通向一个宇宙的通道，我们的宇宙也许只是诸多宇宙中的一个。关于黑洞，还有无数的迷等待人类去探索。
探索频道——宇宙有道理：黑洞
http://v.youku.com/v
BBC-视野系列之超大质量黑洞
http://v.youku.com/v
1、星空璀璨，自古以来引无数诗人学者赞叹不已，今日物理学要把星空拉回人间，甚至要深入星空之外那看不见的深渊中去。如此并没有破坏宇宙之美，反而揭示出宇宙更雄浑精巧的创造。自二十世纪相对论和量子力学的创立以来，物理学发生了翻天覆地的变化。特别是在宇宙学领域二者的结合取得了丰硕的成果，关于宇宙创生和演化的“宇宙大爆炸”理论已成为我们理解宇宙的标准模型。而“黑洞”是现代宇宙学预言的最怪异的创造之一。它有巨大的引力，光线都不能逃脱，因此是“黑”的，但黑洞也会“蒸发”。它是巨大恒星生命终结后的产物，也许也是孕育新星系的种子。黑洞是隐形的，但它在宇宙中普遍存在，甚至就在我们的银河系中。黑洞吞噬一切，白洞吐出一切，或许还有虫洞将二者相连。黑洞是理解我们生存其中的宇宙的关键之一，它本身就是宇宙的一个缩影。霍金、彭罗斯等物理学家在《时间简史》《宇宙的最初三分钟》《时空本性》等一系列半科普类著作中给我们展示了神秘而奇妙的宇宙，包括黑洞，各种媒体上也有《宇宙大爆炸》《宇宙有道理》等面向大众的介绍。本期读书会试图更简化的为大家介绍黑洞怪异性质背后的原理，而不用到让人望而却步的数学。
2、如何理解黑洞是个什么东西，能否从常识角度来理解？我们知道，往天上扔个苹果，苹果会掉下来，砸到牛顿，从而发现万有引力。但是如果扔的太猛，苹果就能像月亮或者人造卫星一样，绕着地球飞，要达到这个目的，苹果扔出去时所需要的速度称为第一宇宙速度。如果扔得再快些，苹果甚至能够脱离地球的控制，这时的速度成为第二宇宙速度。以此类推，要跑出太阳系需要达到第三宇宙速度。以上可以看出，质量越大的天体，对周围的物体引力越大，物体逃离需要的速度越大。假如有一个天体，其引力使得物体需要光速才能逃离，由于光速是宇宙的极限速度，所以可以说没有任何物体能够从该天体周围逃离，这样的天体就称为黑洞。
3、从牛顿的经典物理学角度可以形象理解黑洞，但这样只能解释有质量的物体会掉进黑洞，而光是没有质量的，也会被黑洞吞掉，这就需要祭出爱因斯坦的看家本领相对论了。广义相对论认为，有质量的物体会使周围的时空扭曲，这种扭曲的表现形式就是引力。就像在一张软垫子上放个铅球，垫子会被压得陷下去一点，铅球就是天体，垫子就是时空。光线在时空中传播的时候，总是走直线，但是时空本身是弯曲的，所以看起来光线被弯曲了。原则上一切物体，太阳地球，包括我们自己，都会使周围的时空扭曲，但一般情况下，这种扭曲量太小，所以我们不能借此证明第六感。但是黑洞使其周围时空弯曲得如此厉害，以至于形成一个闭合的圈，光沿着这个圈走，认为自己在走直线，实际上是在环绕黑洞。就像在地球上一直向东最后会环绕地球一圈回到原点一样。
4、在《时间简史》中，身残志坚的物理学家霍金用“光锥”来描述时空扭曲现象。任何事件——比如太阳爆炸——都可看作四维时空中的一个点，即表示某时某地发生某事。以时间为纵轴，空间为横轴，则事件与时空中其它可能发生联系的时空可用四维的“过去光锥”和“未来光锥”来表示。整个光锥形似沙漏，过去光锥表示可以影响到太阳爆炸的时空范围，而未来光锥表示太阳爆炸可能影响到的时空范围，光锥之外的时空与太阳爆炸没有任何联系。光锥的边缘，由极限速度光速来区分。比如，太阳爆炸一瞬间，地球处于与太阳同时但不同空间位置，所以处于光锥之外，所以不能得知太阳爆炸的消息，光需要8分钟才能传到地球，所以8分钟后地球才进入太阳的未来光锥中，看到太阳爆炸所发出的光。对正常的时空结构来说，光锥就是标准的锥形，但黑洞可以使时空扭曲，使光锥变成一个圆筒。边界以外光线可脱离，其边界上，光线即不能远离也不会靠近，只能绕着黑洞跑，其内部的物体则不能脱离。
5、解释了黑洞是什么，接下来的问题是黑洞是如何形成的？近代物理的发展发现，宇宙中所有的力其实只有四种：引力、电磁力、强力、弱力。其中引力和电磁力在日常生活中都很常见，后两种主要在原子核内起作用，强力是原子核内把质子和中子们粘在一起的力，弱力是原子核衰变时起作用的一种力（日本福岛核电站的辐射就是弱力在搞鬼）。这四种力中，引力最弱，在微观世界里引力几乎可以忽略不计。但是引力会随着质量的增大而增大，而宏观物体大部分都不带电，电磁力往往相互抵消，强力弱力在宏观世界也不起作用，所以引力反而成了主宰星体运行的关键因素。经过计算，如果地球被压缩到只有一个高尔夫球大小，质量不变的话，就会形成一个黑洞。为什么地球不变成黑洞？因为地球的引力还不够强大，有原子与原子间的电磁力在抵抗，两边平衡，所以地球还是半径6000公里的大球。
6、黑洞的形成依赖那些比地球大得多的天体——恒星。恒星主要由氢和氦构成，简单来说就是个大气球。恒星内部由于引力的强大挤压，产生高温高压，使氢发生核聚变反应变成氦，所以太阳又是颗大氢弹。热核反应产生向外膨胀的压力抵抗引力，所以恒星能维持很大的体积。热核反应还不断锻造出越来越重的元素，最终会炼出铁元素，所以恒星又是个炼钢炉。但是燃料总有烧完的一天，当恒星生命终结之时多半会在一次爆炸中结束生命。喷出的炉渣在万有引力作用下又聚集起来，就形成了像地球这样的恒星，所以我们每个人都曾经属于某颗恒星的一部分，想想都很奇妙呢。根据恒星质量的不同，恒星死亡后有三种结局：白矮星、中子星和黑洞。我们的太阳质量是地球的30万倍，但在恒星界里还算小个子的，50亿年后，太阳耗尽燃料，先膨胀成红巨星，再喷出外层，核心收缩成一个地球大小的高密度球。开始时发出白光，后来慢慢黯淡，最后变成黑矮星——一个脏乎乎的大煤球，据猜测，在脏乎乎的外表下，有一颗地球那么大的钻石。
7、比太阳大几倍的恒星之死会壮烈得多，它们会在一次剧烈的爆炸中结束生命，爆炸时产生的能量使其光芒超过一整个星系，称为超新星。中国史书上称为“客星”，就是突然出现的星星。现在用哈勃太空望远镜，观察到的蟹状星云，就是1064年宋朝时看到的超新星遗骸。超新星爆发后的核心，有些变成了中子星，一种个头很小，质量很大的天体，有些中子星因为有磁场和自传会规律性的发射电磁脉冲，地球上接受到这些脉冲时曾一度以为是外星人的信号。那些最剧烈的超新星爆发是黑洞诞生的标志。在燃料烧完的一瞬间，恒星的核心在无法抵抗的万有引力作用下坍缩成一个小黑洞，然后黑洞就开始大口大口吞噬恒星的剩余部分。恒星外层在被飞速吸进黑洞时相互摩擦产生几百万度的高温，在超新星两极形成两道强力电磁辐射，称为“伽玛射线爆”，其能量如此之大，可以将地球直接蒸发，幸好大部分超新星爆发都发生在银河系之外。伽玛射线爆之后，恒星外层爆炸开，留下中心的看不见的黑洞。正是通过观测伽玛射线爆，可以了解宇宙中黑洞的数量，目前看来，黑洞在宇宙中到处都是，至少有几十亿颗这样的怪物在宇宙中流窜，吞噬途经的一切。
8、黑洞如此之多，看来地球要小心了，有必要多了解一些黑洞的性质。那么除了胃口大之外，黑洞还有什么特性呢？按照数学家兼物理学家彭罗斯的计算，黑洞中心是个奇点，那里引力密度都无限大，所有已知的物理定律都失效。其实由于黑洞是黑的，我们无法看见黑洞内部 到底发生了什么，只能看到黑洞边缘光线逃逸的边界——视界。但确实有一些间接的办法来“看见”黑洞。假如一颗恒星在黑洞周围，我们就能看到恒星的气体被螺旋着扯向一个区域，区域的两极会有能量喷射，时间足够长的话，恒星会被黑洞完全吃掉。在黑洞视界外，时空扭曲没那么厉害，但光线仍被弯曲，这时就像大质量星系一样，黑洞成为一个“引力透镜”，使遥远的星光弯曲，重新聚焦，出现多个像。除了空间扭曲效应，黑洞还可扭曲时间，在黑洞附近时间流逝缓慢，黑洞内部时间静止。假设一个勇敢的宇航员决定前往黑洞，他在掉进黑洞之前，头部和脚部受到的引力之差就会把他拉成一根长长的意大利面条，然后迅速被吞没。但在地球上的观察者看来，宇航员朝黑洞下落的速度越来越慢，最后干脆停了下来，即使等上一辈子也看不到宇航员掉进黑洞的景象。
9、黑洞无毛。黑洞吞噬一切，从外部观察，黑洞只有质量、角动量，以及电荷三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他的信息如同毛发一样都消失了，这一性质被霍金形象的称为“黑洞无毛”定律。但这一性质似乎与热力学第二定律相矛盾，后者说任何孤立系统的熵总是趋向增加，其中熵是系统混乱程度的度量。从某种意义上讲，热力学第二定律规定了物理过程进行的方向，即时间的方向。尽管物理公式都像化学中的可逆反应一样可以双向进行，但实际的物理过程总是单向的。比如将一杯冷水和一杯热水放在一起，最后二者温度会相同，而不会出现两杯温度相同的水放在一起，变得一冷一热的情况。墨汁滴在水里总是扩散开来，而不会出现墨汁自动聚拢的现象。有关热力学第二定律的进一步讨论可参考《时间之箭》。熵有很多种表现形式，从信息量上衡量，孤立系统的信息量应该增加。但黑洞吞噬物体的同时把信息也给吞掉了，肯定有什么地方不对劲。
10、黑洞不黑。后来进一步的研究表明，为了满足热力学第二定律，黑洞必须不那么黑，它必须向外辐射，以维持信息量的平衡，称为“黑洞蒸发”。也就是说黑洞不仅仅只是吃东西，有时也会外吐，但是连光都逃不出黑洞，黑洞怎么能够吐东西出来呢？解决的方式很巧妙，确实没有任何东西能从黑洞内部——视界之内逃出，但在视界之外靠近黑洞的地方，物质和辐射还是有可能跑掉的。由于量子力学预言的真空涨落，从真空中会随机的产生成对的一些粒子，比如说正电子和负电子，其中具有负能量的一半被黑洞吸入，正能量的一半逃离黑洞，这样从总的效果来看，黑洞能量减小，并且往外辐射。更详细的解释需要量子力学基础，呵呵。总而言之，如果没有东西喂给黑洞吃的话，随着黑洞的蒸发，其质量会减小，最后也许会在一场爆炸中消失。
11、太初黑洞。黑洞蒸发的速度取决于黑洞的温度，个头越小温度越高，蒸发得越快，而大个的黑洞其温度甚至比周围的环境温度——宇宙微波背景辐射都要低，所以蒸发小于吸收，只有等宇宙继续膨胀，背景温度继续降低后才会损失质量。在宇宙诞生之初，温度和密度都非常的高，那时可能较容易产生黑洞，称为“太初黑洞”，其中较小的太初黑洞早已蒸发完毕，但那些质量非常大的也许还没有被蒸发，如果找到这样的太初黑洞，就可帮助我们研究宇宙早期的演化过程。
12、超大质量黑洞。科学家可能已经找到了太初黑洞的候选者——超大质量黑洞。目前主流的宇宙演化理论即大爆炸理论主要由两部分构成，其一为宇宙诞生之初的理论，其二为恒星的演化理论。但中间缺了一个部分，即星系的形成。大部分星系包括我们的银河系都呈扁平状结构，大小各有不同，中心有个恒星密集的核，为什么会是这样？星系到底是怎么形成的？哈勃太空望远镜望向目前人类所能及的宇宙最深处，看到了宇宙早期正在形成的星系——恒星的摇篮——类星体。在浓密的尘埃中有星光闪现，恒星就在那里产生。在宇宙早期，温度和物质密度都非常高，恒星质量也非常巨大，由于质量越大燃烧越快，这些恒星都迅速变成黑洞，许多个小黑洞不断合并变成大黑洞，最终形成超大质量黑洞，其质量至少超过太阳质量100万倍，甚至还观察到200亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这种巨型黑洞不断将越来越多的气体吸入，气体在被黑洞吸入过程中相互摩擦产生数百万度的高温，使整个类星体发出夺目的光芒，高温涡旋气体还在类星体两极产生强烈的喷射，所以尽管距离遥远，望远镜还是能看到它们。气体在非常高温情况下膨胀，会将外围的气体吹走，类星体中心的超大质量黑洞没有更多气体吞噬，就逐渐安静下来，一个稳定的星系就形成了。超大质量黑洞促进星系的形成，并决定了星系的大小和扁平结构，可以说是星系之父。这个研究发现也意味着，每个星系中心，包括我们的银河系中心，都有一颗超大质量黑洞。在如此近的距离上，应该有可能直接看到这个银河黑洞的轮廓，但黑洞体积太小，而且被密集的恒星群包围，观察上有一定难度，目前科学家正在努力。
13、进一步猜想。时空旅行往往是科幻小说的题材，其中回到过去时间倒流的设想在因果关系上会遇到解释上困难，但利用黑洞倒可以实现另一种时空旅行——回到未来。由于黑洞附近引力很大，时间变慢的效应比较明显，如果乘坐宇宙飞船从地球到黑洞，非常小心的在黑洞视界周围绕黑洞飞行，过一段时间后再回到地球，理论上就可以到达未来的地球。但是以目前人类的科技，到达我们小小的太阳边缘就需要约2000年，更别谈到达银河系中央了。但黑洞奇异的性质又给我们一点希望，如果黑洞使时空扭曲得如此厉害，直接穿透了，则有可能通过称为“虫洞”的地铁系统，实现快捷的时空旅行。更有一种设想认为，黑洞与宇宙的演化非常类似，每个黑洞也许就是通向一个宇宙的通道，我们的宇宙也许只是诸多宇宙中的一个。关于黑洞，还有无数的迷等待人类去探索。
No comments:
Post a Comment