黑洞小知识

　　黑洞小知识

　　黑洞这一概念的提出最早在1783年，英国剑桥的一位学监约翰·米歇尔在他的一篇文章中做出了这样一个假说——存在一个质量足够大且足够致密的恒星，它所产生的引力足以让光在未达到远处前就被其吸引回来，所以在足够远的地方你永远看不到这个天体，也就是说这个天体是绝对黑暗的。之后在1796年法国科学家拉普拉斯根据牛顿力学中关于天体逃逸速度方面的理论推导出黑洞的第一个数学模型——当一个天体密度和地球一样而直径达到太阳的250倍时，该天体的逃逸速度将达到30万km/h，也就是光速时，这个天体就是黑洞。但当时由于光的本质还没有探寻清楚，所以对于引力是否可以影响光还是一个未知数。直到1915年爱因斯坦广义相对论的提出，黑洞这一概念才逐渐成型。最后在1969年，美国科学家约翰·惠勒为了形象地描述这一概念才提出了“黑洞”这个名词。

　　那么黑洞是怎么形成的呢？提到这个我们首先要了解一个恒星的一生。一个恒星最初一般只含有氢元素，但由于它本身的质量很大，需要有足够的能量去与它自身的万有引力去对抗来维持它的结构稳定。于是它内部的氢元素在彼此碰撞下发生聚变形成氦元素，以此来释放巨大的能量。此时恒星就从主序星转化为红巨星。在这过程中生成的氦元素也会参与到聚变中来生成锂元素，然后按照元素周期表一直继续生成下去，直到生成铁元素。有些红巨星由于自身核燃料或质量不足在燃料耗尽之后就会冷却爆炸形成白矮星。而那些质量大的足以支撑这一系列核反应的红巨星则会因为铁元素足够稳定使得它参加聚变反应时不会释放能量反而需要吸收大量能量，而红巨星当时的环境达不到铁聚变的条件，所以热核反应在生成铁之后就不会继续下去了。这样铁元素在恒星内部不断累积，热核反应提供的能量不足以与它自身的引力抵抗，红巨星的内部开始冷却然后就会发生坍缩。在其最不稳定的时候就会产生剧烈爆炸形成超新星爆发，超新星爆发之后外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留下部分物质坍缩为一颗高密度天体。质量小的恒星最后形成的还是白矮星，而质量较大的恒星在形成白矮星之后还会进一步坍缩形成中子星。当恒星质量大到连中子星内部中子之间的排斥力也无法支撑的时候，坍缩就会无休止地进行下去直到连中子也被挤压为粉末最后形成一个体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

　　广义相对论中提到过物体的质量会引起时空弯曲而且质量越大弯曲的程度越明显。那通过这个理论我们可以假设如果有一个物体的质量大到足以让它周围范围内的时空弯曲趋近于完全封闭，那光、物质、信息等等也就无法从这个封闭的时空内部逃离了，那对于外部天体来看这就是一个黑洞。这就是黑洞假说的第二个数学模型。但实际上体积越大的物体要使它周围的时空弯曲到同一程度所需的质量也越大，所以黑洞形成的必要条件就是足够高的密度，而不同黑洞之间也会有质量，体积的差别。

　　从理论上来说连自然界达到速度上限的光都无法逃离黑洞，那黑洞是不是“只进不出”呢？热力学第二定律中提到一个孤立系统的熵总是增加的，并且将两个系统连接在一起时合并系统的熵是大于单独系统熵的总和。由此我们假设在一个系统中引入一个黑洞，系统里的物质就会被黑洞吸进去，如果要维持这个系统的总熵不减少，那么黑洞就必须具有熵。但是一旦黑洞具有熵那么它应该就会有温度，而有温度的物体无论它的温度有多低一定会向外发射辐射，这就从理论上反证出了黑洞不是只进不出的。

　　到了1974年，年轻的史蒂芬·霍金先生对于黑洞放出的辐射给出了一个很好的证明，因此这个辐射就被称之为“霍金辐射”。要解释霍金辐射，我们首先要了解虚粒子的概念。实际上真空中并不是完全空的，在量子力学中测不准原理的解释下，真空中随时可能会出现一对正负粒子，然后在它们在极短的时间内会发生湮灭。只要这一过程中这对粒子的质能和该过程的持续时间小于普朗克常量，那么这一过程就无法被我们观测到，最后只会以能量的形式被我们所感知，这对粒子就是虚粒子。而在霍金的假说中假设在黑洞的旁边存在一对虚粒子，而他们在湮灭之前，其中的一个粒子被黑洞吸了进去转化为实粒子，而没有被吸进去的那个粒子就会从黑洞的邻近逃逸。这个逃离的粒子向外所形成的辐射就是霍金辐射。而辐射出去的实粒子所携带的正能量会被落入黑洞的负能粒子流平衡，使得黑洞的能量减少。再由质能方程可知，能量和质量成正比，所以黑洞能量的减少最终会导致黑洞质量的减少。由此霍金做出假设，一个孤立的黑洞的质量会逐渐减少，而且质量和温度是成反比的，随着质量减少温度升高辐射的速度也会加快，最后黑洞会在由此巨大的辐射暴中消失殆尽。但实际上霍金辐射在宇宙辐射背景下时很微弱的，很难实际观测到。直到2010年意大利的科学家在实验室里模拟产生了霍金辐射，才验证了这一假说。

　　在这之后，就在今年4月，人类史上第一次成功得到了黑洞的照片。一个由全球8个射电望远镜组成的事件视界望远镜组，成功得到了位于人马座A星系的黑洞的照片，这对于黑洞理论的真实性的验证起到了强有力的作用。虽然关于黑洞的理论仍旧有很多问题存在争议，但我相信在不久的将来黑洞的神秘面纱就将被全部揭开。