淺談對黑洞的理解

淺談對黑洞的理解

物理與人類文明期末大作業

論文題目：淺談對黑洞的理解

學院：管理學院

班級：工商122

姓名：張文姣

學號：1207010233

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淺談對黑洞的理解

：本文介紹了有關黑洞的一些問題,包括黑洞的起源、形成，處于時間

摘要

與空間之間的黑洞，使時間放慢腳步，使空間變得有彈性，同時吞進所有經過它

的一切。同時還介紹了一些對黑洞的誤區；現在引發出對黑洞是否存在提出了懷

疑。雖然現在我們對黑洞的認識很大程度上是在一定的猜想上進行的，但是終有

一天人類會解開黑洞之謎。黑洞是現代物理學和天文學中研究的一個熱點。

關鍵字

：黑洞，黑洞理解誤區，是否存在黑洞

一、黑洞的含義

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小到

一定程度時，就連垂直表面發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。它的基本特征是具有一個封閉的視界。視界就是黑洞的邊界。外

來的物質和輻射可以進入視界以內，而機界內的任何物質都不能跑到外面。

二、黑洞的形成

要了解黑洞是如何形成的，我們先對恒星生命過程作以簡單了解：

眾所周知：通常的恒星是靠萬有引力的吸引效應將物質聚集在一起的。同時

恒星內部的熱核反應所產生的大量熱能造成粒子的劇烈運動而形成排斥效應，當

這兩種效應達到穩定平衡時候，恒星將會塌縮。但是，由于熱核反映能量逐漸消

耗，以至耗盡，恒星就會冷卻下來，萬有引力的作用大于排斥效應的作用使恒星

發生塌縮。原子的殼層將被壓碎形成原子核在電子海洋中的漂浮狀態。這時電子

之間的 斥力與恒星自身引力相比處于劣勢地位，恒星將發生塌縮，體積減少，

導致塌縮的密度是非常大的。

1. 白矮星的形成

由于恒星熱反應停止以后，輻射壓力減少，使恒星發生收縮，在收縮過程中，

核內高溫使物質發生電離。星體內部充滿電子，由于電子服從泡利不相容原理。

物質粒子靠的十分接近時候不能具有完全相同的狀態。即兩個相同的自旋為1/2

的粒子不可能同時具有相同的位置與速度，這將導致粒子在吸引、接近的過程中

產生很強的斥力平衡，按照相對論理論，粒子之間的相對速度不能超過光速。由

泡利不相容原理產生的斥力就有上限。經過計算這種斥力上限為1.4個太陽質量，

稱為錢德拉卡極限。當恒星質量小于1.4倍的太陽質量時，電子簡并壓可以完全

抗衡引力，阻止恒星進一步塌縮，從而形成白矮星。

2 .中子星的形成

Mm

根據萬有引力公式公式可知，一顆恒星的質量越大，引力就越強，

F?G

引

2

R

對于質量不太大的恒星而言，塌縮的速度還不算快，若恒星質量大于1.4個太陽

質量，則電子之間的簡并壓就不能抗拒引力塌縮，導致星體密度繼續增加，當溫

度足夠高時候，高能光子把原子核分裂成質子和中子，質子又與電子結合成中微

子，使得星體內部存在大量中子。中子也服從泡利不相容原理，出現附加壓強，

稱為中子簡并壓。經過計算這種斥力上限為2-3個太陽質量，稱為奧本海默極限。

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當恒星的質量大于錢德拉卡極限而小于奧本海默極限時，從而形成中子星。

[2]

3. 黑洞的形成

如果恒星的質量超過奧本海默極限，則沒有任何力量能夠抵制住強大的引

力，星體將塌縮到自身的引力半徑之內，從而形成黑洞。

從超新星爆發的角度來看，星體塌縮是一種非常猛烈的過程，爆炸崩掉恒星

的外殼，同時產生指向星體中心的巨大壓力，使星體的中心部分形成黑洞。

除去恒星塌縮以外，形成黑洞還有其他途徑。例如，在星系的中心聚集著億

萬顆太陽和 別的物質，在演化過程中很可能發生物質收縮和恒星之間的碰撞，

從而形成巨大質量的星級黑洞。

三、黑洞真的存在嗎？

“黑洞”是從預言產生的理論，如果不能證實其存在的真實性，理論就成了

“無源之水”，關于黑洞存在的理論預言建立在以下幾點根據上：

（1）：自然界沒有任何力量可以支撐質量為太陽質量3倍以上的“冷”物質

（所謂“冷”物質是指停止核反應的物質）以常規方式存在（所謂的常規方式是

指原子、分子形式存在的方式）。

（2）：許多已經觀測的熱恒星的質量遠遠超過太陽質量3倍以上。

（3）：科學家已經根據中子星的脈沖輻射觀測到了中子星，隨著時間的推移，

中子星可以繼續塌縮。

（4）：大恒星消耗核燃料并且經歷了陰歷塌縮的時間一般為幾百萬年，而銀

河系已經有100億的高齡，因而在銀河系里產生黑洞的年齡條件是成熟的 。

基于以上幾點，我們可大膽而理智的預言黑洞的存在是真實的。

四、黑洞的誤區

1．黑洞不是“黑球”

當黑洞自轉的時候，黑洞的視界之外就會產生一個被稱為能層的橢球形區

域。這就像地球自轉會造成赤道部分比兩極部分凸出一樣。一旦進入能層和視界

之間，物質就無法靜止了，空間將被黑洞拖拽著，沿著黑洞自轉的方向運動。而

在能層的內部，空間運動的速度會超過光速。按照愛因斯坦的相對論，雖然物質

不可能運動的如此之快，但空間本身卻可以。另一個有名的例子是宇宙大爆炸，

當宇宙產生的那一剎那，空間急劇膨脹，超過了光速。

另外，雖然黑洞沒有光，但是它看上去并不是黑的。因為體積小，所以

很少有物質會正好掉入黑洞，它們會被它吸引，繞著它旋轉。這些物質越來越多，

會形成一個圍繞黑洞告訴轉動得盤。由于黑洞的引力隨著距離而變化，因此靠近

黑洞的物質的速度要遠遠超出外圍的，它們的相對運動就會導致劇烈的摩擦，是

物質被加熱到數百萬以上的溫度。于是黑洞附近的物質盤會發出極為明亮的輻

射。錦上添花的是，磁場會驅動物質從中心向垂直與潘德兩側噴出。這兩條噴流

在幾百萬甚至十數億光年之外都能被看見。連光都無法從黑洞中逃逸 ，黑洞卻

會因這些物質成為宇宙中最“明亮”的天體。

2．黑洞如空氣

隨著物質的增大，黑洞的視界也會變大。物理法則告訴我們，黑洞視界的半

徑和它的質量成正比。也就是說，如果黑洞的質量.增加到原來的2倍，其視界

的半徑也會增加到2倍，它的體積就會增加為原來的8倍。接下來我們可以用計

算的魔術把黑洞和空氣聯系在一起：一個普通的黑洞，它的質量通常為太陽的3

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倍，視界半徑為9千米，此外它的密度為每立方厘米2000萬億克。如果把你的

質量翻一倍，其密度就會減少到原來的1/4:；質量增大10倍，密度就會減少為

原來的1/100.對于一個星系團中常見的10億個太陽質量的超大質量黑洞而言，

它的密度自由每立方厘米0.001克，和地球空氣密度一樣。

五、黑洞的種類

按照習慣的分法，可以將黑洞分為“施瓦西”黑洞、“萊斯納”黑洞、“克爾”

黑洞。

“施瓦西”黑洞質量呈對稱分布的強引力場，但不旋轉、無角動量、不帶電

2GM

荷。視界半徑與區域內質量的關系為：。

r?

2

C

“萊斯納”黑洞也是質量呈對稱分布的強引力場，引力源靜止，有質量M，

1

也有電荷Q，其引力半徑為：。

r?GM?GM?GQ

k

2

??

2222

??

c

“克爾”黑洞描述的是質量呈軸對稱分布的強引力場，它旋轉、具有角動

量，但沒有電荷。“克爾”黑洞的大小與形狀依賴旋轉速度，其視界半徑為：

1

r?GM?GM?L

k

2

??

222

，其中L為單位質量的角動量。

??

C

六、分析總結

游覽了“宇宙黑洞”相關知識，其實黑洞跟我們人類心系相關的。值得我們關

注。未來的我們會對黑洞回進一步的研究了解。不但開闊視野，而且我們獲得了

一些宇宙知識。

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