關(guān)于黑洞的問題解析

　　黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失效。

　　黑洞就是中心的一個(gè)密度無限大、時(shí)空曲率無限高、體積無限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個(gè)天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。

　　黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程：某一個(gè)恒星在準(zhǔn)備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星體，同時(shí)也壓縮了內(nèi)部的空間和時(shí)間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去。黑洞開始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質(zhì)，黑洞會(huì)釋放一部分物質(zhì)，射出兩道純能量——γ射線。

　　也可以簡單理解：通常恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與

　　恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時(shí)不釋放能量，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因?yàn)樗拿芏葻o窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾倍以上的恒星演化而來的。

　　當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

　　吸積

　　黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。

　　通常天體物理學(xué)家會(huì)用“吸積”這個(gè)詞來描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質(zhì)之外，還通過霍金蒸發(fā)過程向外輻射粒子。

　　蒸發(fā)

　　由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質(zhì)量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質(zhì)量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，即一個(gè)粒子的場強(qiáng)分布雖然盡可能讓能量低的地方較強(qiáng)，但即使在能量相當(dāng)高的地方，場強(qiáng)仍會(huì)有分布，對(duì)于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當(dāng)高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。

　　霍金還證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質(zhì)量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發(fā)也微弱;小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強(qiáng)烈，類似劇烈的爆發(fā)。相當(dāng)于一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發(fā)殆盡;相當(dāng)于一顆小行星質(zhì)量的黑洞會(huì)在1x10^-21秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。

　　毀滅

　　黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)ā．?dāng)英國物理學(xué)家史蒂芬·霍金于1974年做此預(yù)言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)。

　　霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論，他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量。

　　恒星被黑洞吞噬假設(shè)一對(duì)粒子會(huì)在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)被創(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過程發(fā)生在黑洞附近的話就會(huì)有兩種情況發(fā)生：兩粒子湮滅、一個(gè)粒子被吸入黑洞。“一個(gè)粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創(chuàng)生的一對(duì)粒子其中一個(gè)反粒子會(huì)被吸入黑洞，而正粒子會(huì)逃逸，由于能量不能憑空創(chuàng)生，我們?cè)O(shè)反粒子攜帶負(fù)能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運(yùn)動(dòng)過程可以視為是一個(gè)正粒子的為之相反的運(yùn)動(dòng)過程，如一個(gè)反粒子被吸入黑洞可視為一個(gè)正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個(gè)攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的損失。

　　當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時(shí)，它的溫度會(huì)越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對(duì)大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計(jì)，因?yàn)榇蠛诙摧椛涞谋容^慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。