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黑洞不是全黑的? 霍金预言黑洞本身会发光

2016-09-12 03:19:54 来源:未知 编辑:www.baichengzi.com

  人们观测到的宇宙中的黑洞是十分漆黑的,也因此他们被叫做黑洞。科学家表示,因为黑洞巨大的吸引力足以扭曲光线,导致人们只能够观测到全黑的黑洞,但是真实的黑洞并不是完全黑暗的,他们能够发出光线。

  史蒂芬·霍金在1974年就提出黑洞可能不是完全黑暗的理论,相反,量子效应可能导致辐射从黑洞的边界逃逸出来。霍金的理论认为,黑洞应该有能力热制造和释放亚原子粒子,即霍金辐射,直到黑洞完全耗尽能量。

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  在1974年的声明中,霍金解释到,黑洞周围有着强大的引力场,根据量子理论,这种引力场可影响粒子和反粒子的配对生成,如同在真空中一直存在的现象一样。如果粒子就在黑洞的视界(event horizon)外生成,可能成为逃逸的正粒子——观察到的就是从黑洞释放出的热辐射——而负粒子可能落回黑洞。

  海法以色列理工学院的教授杰夫·斯坦豪尔(Jeff Steinhauer)在今天出版的《自然物理学》杂志中一篇论文上证明了此效应。他制造一种声音黑洞而非光黑洞,使用的是带声音粒子即声子“视界”的长管。2014年斯坦豪尔教授发现,视界上随机产生了声子。在他最新的结果中,斯坦豪尔证明这些声子是一对相关声子中的一个,从而证明了霍金辐射的量子效应。

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  在黑洞中视界是指界限清晰的表面或边缘,在视界后面没有光能逃逸,因为逃逸的速度必须快于光速。斯坦豪尔教授使用了波色-爱因斯坦冷凝物制造了相同的条件,但只是声音黑洞。在2年前的试验中,他发现与霍金预测的一样,制造声波的能量没有从黑洞中泄露。现在他更进一步,以量子的方式展示这种能量行为。 

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  在视界在一边里面的粒子流动速度比声速更快,因此没有声子能逃逸。斯坦豪尔教授对《每日邮报》在线版称:“这如同逆水游泳,如果水流速度比你游泳速度快,你就会向反方向漂流。声子无法达到‘视界’点。”他进行了4600次试验,即持续6天观察声子。他首次在实验室里发现了霍金辐射的量子效应。但要真正测量黑洞释放的霍金辐射是不可能的,因为这种辐射太微弱。

  黑洞神秘莫测,有很难观测到,因此人们对于黑洞的认知大部分都来自于计算和科学家的天马行空,关于黑洞,很多流行了几十年甚至上百年的说法很可能都是错的。

  1、黑洞源自恒星

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  黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。它在耗尽氢燃料之后就会坍缩,坍缩会释放出激波,将恒星的外部包层炸飞,变成一颗超新星。因此,当恒星的外部在向外爆发的时候,它的核心却在向内坍缩。

  当核心坍缩时,引力就会增大。如果核心的质量足够大(大约3个太阳质量),引力就会变得非常强,使得坍缩核心表面的逃逸速度超过光速。这就意味着没有任何东西能逃离这个天体,即便光也不行,所以它是黑的。

  在黑洞周围有一个区域,其中的逃逸速度等于光速,该区域被称为视界。任何发生在视界之内的事件都永远无法被视界之外的人看到。这就是宇宙漏斗的成因。

  2、黑洞内部并非无穷小

  黑洞的视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝了开。对于一个由恒星坍缩而来的黑洞而言,在这些恒星物质身上究竟发生了什么?

  回答是,我们也许永远也搞不清楚。由于视界的存在,我们无法看到这些坍缩的物质,因为它们所发出的光无法到达我们(黑洞是一个连光都无法逃逸的地方)。不过物理学和数学可以帮助我们,即使它们位于视界的内部。

  这些物质会继续坍缩,而引力则会继续增强。越来越小,越来越小,最终它们会坍缩成一个没有维度的几何点。很多书上都这么写,但事情却并不是这样。坍缩的物质会小于一个原子、一个原子核、一个电子,最终抵达“普朗克长度”的大小。在量子力学中,普朗克长度是一个尺度上的极限。对于一个小于这一极限的物体,我们将无法确知它的信息。确切的物理学很复杂,但是即便你能穿透视界进入黑洞内部,只要坍缩的物质达到了这个尺度,你就无法测量它的确切大小。

  那么普朗克长度有多小?非常非常小:10-35米。 

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  3、黑洞绝对不是管道状

  对于某个物体而言,你所感受到的它的引力取决于两个因素:这个物体的质量和它到你的距离。这意味着,只要到某个物体的距离相同,不同的人所感受到的引力是相同的。如果把所有这些引力相同的点串联起来,就能得到一个引力体位于其中心的球面。

  黑洞视界的大小取决于引力,因此视界是一个包裹着黑洞的球面。如果你有办法从外面看到视界,它看上去会像是一个黑色的球面。

  有些人把黑洞想象成一个圈或者是管道状的。“管道”是在解释引力对空间的弯曲中经常所用的图释,这时坍缩的3维空间被简化成了2维空间。空间被想象成了一张床单,大质量天体对空间的弯曲就和把一个保龄球放在床单上的效果一样。但空间不是2维,是3维的(如果算上时间就是4维的),因此这个解释就会让人们对黑洞视界的形状产生误解。

  4、黑洞会变大

  当两个黑洞碰撞的时候会发生什么?它们会形成一个更大的黑洞。类似地,黑洞吞食其他物质也会长大。在早期宇宙中当星系正在形成时,婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。随着越来越多的物质掉入其中,黑洞会贪婪地消化它们进而生长。最终它会长成一个超大质量黑洞,质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。

  不过,就像刚才说的,掉入黑洞的物质会被加热到极高的温度。由此所发出的辐射会把物质向外推,阻止它们下落。随着时间的流逝,停留在黑洞周围的气体和尘埃会形成恒星。但相比于气体,恒星远没有那么容易掉入黑洞。最终由于没有更多的物质落入黑洞,它便停止了生长。

  今天,在银河系的中心就有这么一个超大质量黑洞。它的质量是太阳的400万倍,距离太阳26,000光年。

  5、是尺寸令黑洞如此异禀

  和通常所想象的不同,黑洞拥有如此怪异特性的原因并不在于它的质量有多大(毕竟比黑洞质量大的天体有的是),而在与它的体积有多小。

  也就是说,只有巨大的质量被塞入一个非常小的体积内之后,才能制造出黑洞。那么,到底要多小呢?假设太阳的质量不变,如果要把它变成一个黑洞,那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。

  有意思的是,在你把太阳“挤压”成一个黑洞的时候,其外部的引力效应并不会发生改变。也就是说,当你蒙上地球的双眼,她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。唯一发生变化的地方在已经变成黑洞的太阳的内部和附近。 

  6、黑洞会转动

  听上去有点奇怪,不过黑洞确实会转动。恒星会自转,它的核心也会转动。当恒星的核心坍缩地越来越小时,它的自转就会越来越快。这就像花样滑冰运动员通过收回张开的手臂来加快自身的转速一样。如果核的质量不足以形成黑洞,它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。目前已经发现了数百颗中子星,它们自转的速度非常快,有时甚至可以达到每秒钟100圈。

  黑洞也是如此。即便恒星的核心已经收缩到小于视界的大小并且永远和外部的宇宙失去了联系,但它却仍然在转动。问题来了,转动的离心力会使得这些物质无法坍缩到普朗克长度吗?虽然其中的数学计算极为冗长,但回答是肯定的。不过我们永远也无法看到这一切,因为它们发生在视界的内部。

黑洞不是全黑的? 霍金预言黑洞本身会发光

  7、黑洞附近事情会变得诡异

  黑洞会扭曲时空结构。而如果黑洞拥有自转的话,静止黑洞的球形视界就会被破坏。

  这会在视界之外产生一个被称为能层的椭球形区域。如果你处于能层和视界之间的话,你会发现你无法静止了。事实上,这个时候空间会被黑洞拖曳着运动。你可以很容易地沿着黑洞转动的方向运动,但如果你想悬停,那将是不可能的任务。而在能层的内部,空间运动的速度会超过光速!按照爱因斯坦的相对论,虽然物质不可能运动得如此之快,但空间本身却可以。 

  8、黑洞并不总是黑的

  很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。稍有偏差,它们就会绕着黑洞转动。随着物质的增多,它们就会在黑洞周围聚集起来。由于在转动,这些物质会形成一个围绕黑洞高速转动的盘,加之黑洞的引力随着距离会变化,因此靠近黑洞的物质其运动的速度要远远超出外围的。这一运动速度上的不一致就会产生剧烈的摩擦,从而使得物质被加热到数百万度的高温,于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。

  更糟糕的是,磁场会驱动物质从中心向垂直于盘的两侧喷出。这两条喷流的发源地就在黑洞的外围,但在几百万甚至数十亿光年之外都能被看见。

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