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一口氣搞懂黑洞


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更新日期:2019411
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鍾銘聊科學

話說今晚將要釋出人類首張關於黑洞的照片,大家開始紛紛猜想黑洞到底長什麼樣子?結果呢?是這樣!

蒙了吧?這到底是啥?很多人只是對這「黑洞」兩個字很熟悉,但要問它到底是什麼,為什麼會有黑洞?很少人能夠回答上來,今天,我們就來聊一聊:黑洞到底是咋回事?

一口氣搞懂黑洞

逃逸速度

在宇宙中有句黑話:質量為王。

意思是說,天體在宇宙中混的咋樣,完全和自身的質量有關,那質量和有關呢?那就是引力。人之所以不會飄起來,正是地球對人有引力的作用。那如果想要逃離地球該咋辦呢?

也不是沒有辦法,只要速度夠快就行,透過牛頓的萬有引力公式進行計算,如果速度能達到11.2km/s就可以逃離地球去流浪了。這個速度被我們稱為第二宇宙速度。第一宇宙速度其實就是繞著地球飛行的速度。

一口氣搞懂黑洞

如果速度能達到16.7km/s就可以逃離太陽系去流浪了,這個速度被我們稱為第三宇宙速度。

其實這些宇宙速度還有個別名叫做:逃逸速度。也就是它們擺脫天體引力所需要的速度。

這時候科學家就尋思,按照相對論的基本假設,光速是最快的,那如果一個天體的逃逸速度就是光速甚至比光速還大,那光是不是就飛不出來了?

有個叫做卡爾·史派西物理學家在研究愛因斯坦廣義相對論的方程時,就推匯出了逃逸速度為光速的天體半徑。這個半徑被稱為是史派西半徑。

amocity
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這個半徑的大小取決於天體的質量。舉個例子:地球的史派西半徑為9毫米,意思就是說如果地球的質量不變,把地球壓縮到只有骰子那麼大的尺寸,光就無法從地球表面逃走了。而太陽的史派西半徑也只有3千米。

後來,科學家惠勒給這種光都逃脫不了的天體叫做黑洞。

黑洞形成的?

知道了黑洞的特點,但是黑洞到底是咋形成的呢?

整個過程大概是這樣的,如果有一顆恆星,要比太陽大一些,活了大半輩子,馬上要掛了。不過,它並不是直接就消失,而是臨終前要掙扎一下,玩一次火,炸一下。這種狀態就叫做超新星爆炸。

這個場面其實是非常壯觀的,亮瞎了眼都是小意思。

最後它炸得只剩下一個核。如果這個核的質量足夠大,在引力作用下就會成為一個黑洞。

黑洞的暴脾氣哪來的?

黑洞在眾多天體裡是出了名的暴脾氣,根據廣義相對論,質量會扭曲時空,使得周圍物體只能沿著彎曲的測地線運動。

比如:地球繞著太陽運動,本質上其實是太陽壓彎了時空,地球沿著測地線在運動。

amocity
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不過,太陽和黑洞比起來簡直不值得一提,也就是說黑洞能把光都吸過來,是因為它扭曲時空的效果太強了,遠遠大於太陽,才使得光跑不出來,實際上,是任何物質都跑不了。

黑洞只進不出?

正是因為黑洞的這個特點,科學家認為:黑洞只進不出。

後來有一位偉大的科學家站了出來說:不是這樣的!黑洞是會蒸發的。這位科學家就是霍金。

他是這麼認為的,根據海森堡不確定性原理,在真空中會在瞬間產生正反虛粒子對,因為能量守恆定律,正反虛粒子對會再瞬間消失。後來,科學家用實驗證實這個現象。科學家把這個現象叫做量子漲落。

如果黑洞附近有真空的量子漲落,那有可能正反虛粒子對會被吸進去。不過,在一些情況下,只有帶負能量的虛粒子就被吸進去,而帶正能量的那個粒子沒有。

這個時候從外部觀測,黑洞就好像吐出了帶正能量的虛粒子,這個過程其實黑洞一直在失去能量,這也被叫霍金輻射。

不過,霍金進行很詳細的計算之後發現,10多倍太陽質量的黑洞完全蒸發需要10^66年,

要知道宇宙到現在才138.2億年,比起這個數還小得很,也就是說根本無法驗證這個理論。不過這個理論已經被很多科學家所接受。霍金輻射是霍金最高的學術成就,不過這個理論是否能夠成立還需要進一步本證實。

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