黑洞是什麼？——黑洞解釋（內含中文視頻）

視頻版權：Socratica；

字幕翻譯：天文志願字幕組（有錯誤的地方望各位指出）

譯：@Chauncy Ren

科學上預言存在的一種天體。它有巨大的引力場，有一個封閉的視界，外來的輻射和物質可以進入它的視界以內，而它自身視界內的任何物質卻不能跑到外面。因此人們只能根據引力作用來預測它的存在而不能真正地看到它。

黑洞（英文：black hole）是根據廣義相對論所推論、在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體（並非是一般認知的「洞」概念）。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡後，發生引力坍縮而形成。黑洞的質量是如此之大，它產生的引力場是如此之強，以致於大量可測物質和輻射都無法逃逸，就連傳播速度極快的光子也逃逸不出來。由於類似熱力學上完全不反射光線的黑體，故名黑洞。[1]在黑洞的周圍，是一個無法偵測的事件視界，標誌著無法返回的臨界點[2]，而在黑洞中心有一個密度趨近於無限的奇點。

當星體發生超新星爆炸時，中子之間強烈的互相排斥力量無法抵擋外界推擠力量，將中子星擠壓成更高密度狀態，同時在沒有其他力量足以抵擋如此強大壓力的情況下，整個星球會不斷地縮小，最終形成「黑洞」。[3]直至目前為止，所發現質量最小的黑洞大約有3.8倍太陽質量。[4]

黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前因高熱而放出紫外線和X射線的「邊緣消息」，可以獲取黑洞的存在的消息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行黑洞軌跡，來獲取位置以及質量。 [5][6]

黑洞是天文物理史上，最引人注目的題材之一，在科幻小說、電影甚至報章媒體經常可見將黑洞作為素材。迄今，黑洞的存在已得到天文學界和物理學界的絕大多數研究者所認同，天文界並不時提出於宇宙中觀測到已存在的黑洞。[7]

大麥哲倫雲面前的黑洞（中心）的模擬視圖。請注意引力透鏡效應，從而產生兩個放大，以星雲最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部，扭曲成一個弧形。

根據英國物理學者史蒂芬·霍金於2014年1月26日的論據：愛因斯坦的重力方程式的兩種奇點的解，分別是黑洞跟白洞。不過理論上黑洞應該是一種「有進沒出」的天體，而白洞則只能出而不能進。然而黑洞卻有粒子的輻射，所以不再適合稱其名為黑洞，而應該改其名為「灰洞」[8]，先前認為黑洞可以毀滅信息情報的看法，是他「最大的失誤」。

參考文獻（WJ百科 知識共享）

1. 跳轉^ Davies, P.C.W. Thermodynamics of Black Holes (PDF). Reports on Progress in Physics. 1978, 41: 1313–1355 [2011-02-10]. doi:10.1088/0034-4885/41/8/004. （原始內容 (PDF)存檔於2013-05-10）.
2. 跳轉^ 撰文／麥森（John Matson）翻譯／宋宜真. 霍金是對的（可能吧）. 科學人雜誌. 2011-01-01 [2013年8月25日] （中文（台灣）?）.
3. ^ 跳轉至：3.0 3.1 作者：磯部琇三/著; 譯者：郭淑娟. 《圖解宇宙的構造》. 台灣: 世茂出版社. 1999年6月1日: p94–p95. ISBN 9575298357 （中文（台灣）?）.
4. 跳轉^ NASA Scientists Identify Smallest Known Black Hole. 2008-04-01.
5. ^ 跳轉至：5.0 5.1 陳輝樺. 黑洞如何形成. 國立自然科學博物館. 館訊第130期　 [2013年8月25日] （中文（台灣）?）.
6. ^ 跳轉至：6.0 6.1 吳俊輝. 黑洞好黑！. 科學人雜誌. 2012-03-01 [2013年8月25日] （中文（台灣）?）.
7. 跳轉^ 傅學海,蔡文祥 合著. 《認識天文》. 國立空中大學. 2001年: 150. ISBN 9576614465（中文（台灣）?）.
8. 跳轉^ 「黑洞」不存在 只有「灰洞」？霍金再次震驚全球科學界. Yahoo奇摩新聞《福斯新聞網》(Fox News) （中文（台灣）?）.

解說詞

（翻譯：天文志願字幕組，若有錯誤，歡迎指出）

在遠處，星星是小小的光點。但近一點，星星是團巨大的，看的見的，

熾熱的燃燒的氣體。這一場焰火表演不會持續太久。N最終，給恆星的提供能量的

核聚將會燃盡它的燃料。重力隨後讓餘下的

物質崩塌到一起。那些無比巨大的恆星，N接下來將會發生一場極端的表演。首先，

恆星爆炸成一個超新星，將它的大部分物質撒在宇宙周圍。

在片刻間，正在衰亡的恆星閃耀著它的整個星系。一旦光變得暗淡，

黑暗就回來了，剩下的物質形成了一個十分密集的物體以至於任何

太靠近它的物體將會完全消失在視野里，這就是一個黑洞。Ngets too close will completely disappear from view. THIS is a black hole…

黑洞的這一想法起源於幾百年前。在1687年 艾薩克·牛頓出版了

他的被周知為「數學原理」的傑作。他對他的運動定律與

萬有引力定律做了如下細緻描述：N通過一個思維實驗——假想在很高的山上放置一門大炮，

牛頓得出了逃逸速度的概念，這是打破

重力牽引的速度要求。在1783年，英國教士喬恩·米歇爾

發現比我們的太陽要大500倍的星體會有比光速還要大的逃逸速度。

他把這些巨大的天體稱為「黑星」，因為它們能Nthan the speed of light. He called these giant objects 「dark stars」 because they could

不釋放星光。這一想法被擱置了一個多世紀。

此後，在20世紀早期，阿爾伯特·愛因斯坦創造了兩種

改變了我們的時空觀的相對論——狹義與廣義相對論。

狹義相對論由等式E=MC^2而出名。N廣義相對論描繪了一幅新的關於重力的圖景。

依據廣義相對論，物質與能量使

空間與時間扭曲。由此，當物體向一個大質量的物體靠近時，將會

沿著彎曲的路徑前進，這是因為時空的扭曲。N我們將這種現象稱為「引力」。

這一想法的一種結果是——光也受引力影響。畢竟，如果

時空能被扭曲，那麼包括光在內一切事物將會沿著一個彎曲的路走。

愛因斯坦於1915年發表了他的廣義相對論。牛頓的引力理論NEinstein published his general theory of relativity in 1915. And while Newton』s theory of gravity

能用一個簡單的公式解釋，愛因斯坦的理論卻要一系列的複雜的Ncould be expressed using a simple formula, Einstein』s theory required a set of complex

被稱為「場方程」的方程式來解釋。在愛因斯坦發表該理論數月之後，Nequations known as the 「field equations.」 Only a few months after Einstein』s publication,

德國的科學家卡爾·史瓦西發現了一個驚人的方案。依據場方程，

一個密度極其大的物質球在空間里創造了一個球形區域，在那裡

沒有什麼能夠逃離，甚至光亦是如此。N那是個引人好奇的結果，但這種事物真的存在嗎？

首先，關於在空間里有一個的黑色的，N沒有什麼東西能脫離它的球體的想法，其被純粹地

認為是一個數學結果，還是一個或許不會真正發生的結果。N但是，幾十年過去了，

我們對恆星的生命循環有了更進一步的了解。N據觀察，一些正在凋亡的

恆星變成了脈衝星，另一種理論上預言的奇異天體。這表明

「黑星」或許也會是真的。這些奇怪的球體被稱為「黑洞」，Nstars could actually be real as well. These strange spheres were named 「black holes,」

科學家們開始了尋找它們、描述及理解它們

如何誕生的艱難工作

但你該如何在太空里發現一個黑透了的物體呢？N幸運的是，由於黑洞

擁有一個巨大的質量，它們也會有一個巨大的引力場。N因此，當我們未能

看見黑洞時，我們能觀察它的引力對它的鄰居的牽拉。

有了這一想法，天文學家們開始尋找一個可見星體與一個黑洞

彼此靠近的地方。一個例子就是雙星。

雙星是一個兩顆星繞彼此運動的系統，N我們能通過以下方法來認出它們。

你可以尋找輕微地來回改變位置的星星。另外，

如果你從一側來觀察雙星，N那麼當一個星經過另一顆後面時，它的亮度會有所改變。

所以，有可能在太空的某一處，有一個由Nbehind the other. So it』s possible that somewhere in space, there』s a binary star

一個黑洞和一個可見恆星組成的雙星系統。N事實上，這種雙星系統已經被觀察到了！

天文學家已經發現繞著不可見的同伴運行的星體。N由可見星體的大小及

其軌道，天文學家計算出了它的不可見的鄰居的質量。它符合

黑洞的定義。

由於我們不能看見黑洞，N那麼有什麼方法來測量它的大小呢？由愛因斯坦的NSince we can』t see a black hole, is there a way to find its size? From Einstein』s

場方程可知，給定黑洞的質量，我們能探知

那個與其餘空間相分離的，不可逃離的球形區域的大小。

這個球體的半徑被稱為「史瓦西半徑」，N這是為了向卡爾·史瓦西致敬。

球體的表面被稱為「視界」。如果有任何東西穿過視界，

那麼它就永遠地消失了——被隱匿於宇宙的另一部分。Nit』s gone forever — hidden from the rest of the universe.

這意味著，一旦你知道了一個黑洞的質量，N你能夠通過一個簡單的公式來計算其大小。

事實上，測量一個黑洞的質量十分容易。Nformula. And it』s actually quite easy to measure the mass of a black hole. Just take

僅需將一個空間探測器發射到它的軌道上並繞其運行。

這就像其它環繞系統一樣——比如地球圍繞太陽轉，或月球環繞Nany other system of orbiting bodies — like the Earth orbiting the Sun, or the Moon orbiting

地球轉——軌道的大小及周期將會告訴你黑洞的質量。Nthe Earth — the size and period of the orbit will tell you the mass of the black hole.

如果你手頭沒有一個可用的空間探測器，N那麼可計算一個伴星的質量與軌道，NIf you don』t have a space probe handy, then compute the mass and orbit of a companion

並藉此來發現史瓦西半徑。

黑洞的大小不一。如果它是由正在衰亡的恆星而來的，N那麼我們可以將其稱為

「恆星質量」黑洞，因為它的質量與恆星的質量處於同一範圍內。N「stellar mass」 black hole, because its mass is in the same range as stars. But we

但是我們能更進一步，要做到這一點，N我們將要去參觀一個星系的核心。

星系能容納億萬恆星，它們（恆星）都圍著一個中心點運動。

科學家們現在相信在大多數的星系的中心，N存在著一個被我們稱為「超大質量黑洞」的Nnow believe that in the center of most galaxies lives a black hole which we call a 「supermassive

黑洞，這是由於其超級大的質量。N這些黑洞的大小從等同於成百上千個Nblack hole,」 because of its tremendous mass. The size can vary from hundreds of thousands

到億萬個恆星的質量。比如說，在我們的銀河系的中心

有著一個4百萬倍於我們的太陽的超大質量的黑洞。

黑洞有另外一個我們能測量的特性——它們的旋轉。N就如行星一樣，恆星

亦會旋轉，且不同的恆星的旋轉速度不一。 想像一下我們能調整一個

恆星的大小但是卻使質量不變。如果我們增加半徑，那麼旋轉會變慢。Nthis star but keep the mass constant. If we increase the radius, the spinning slows down…

如果將其大小變小，那麼旋轉速度會變快。但當旋轉速度可變的同時，

角動量從不改變——它保持恆定。甚至當恆星坍縮為黑洞時，

其依舊會有角動量。我們可以通過

分別把兩個探測器發射到離黑洞較近的，N但相對的軌道上來測量。由於它們的角動量，

黑洞在時空里創造了一個旋轉的流。順著流運行的探測器

將會比逆行的要快很多，我們可以通過測量它們不同的軌道

周期來計算黑洞的角動量。Nperiods we can compute the black hole』s angular momentum.

這股時空流是如此的強烈，N其創造了一個被稱為能層的區域，在那裡沒有什麼，

包括光在內的，能夠克服得了它。在能層里，沒有什麼能夠保持不變。

在這個區域里的所有東西都被旋轉的時空拉扯著。視界被包含在

能層里，並且它們在極點相匯。因此，換句話說，黑洞就像

時空漩渦。一旦進入能層，你就被漩渦抓住。當你

穿過視界後你就消失了。

電荷是我們能夠測量黑洞的最後一個特性。我們在

日常生活里所遇到的大部分物質是不帶電時，N一個黑洞或許會有凈正電或負電荷。

這可以通過看黑洞拉一塊磁鐵的力度來簡單地測量。

但是帶電的黑洞不指望存在於自然界。這是因為宇宙

里充滿了帶電粒子，因此一個帶電的黑洞將會很容易吸引

相反極性的帶電粒子，直到所有的電荷被中和。

以下是我們能測量的三種黑洞的特性：質量、角動量

以及電荷。據說，一旦你了解了這三個特性的值，你就能

完整地描述黑洞。這被趣稱為「無毛定理」，因為Ndescribe the black hole. This result is humorously known as the 「no hair theorem,」 since

除了這三個特性外，黑洞沒有其它可區分的特性。Nother than these 3 properties, black holes have no distinguishing characteristics. It』s

它不是金髮，棕發或者紅髮人。

我們現在已從外部對黑洞有所了解，N但是在黑洞裡面又會是什麼樣子呢？

不幸的是我們不能發送一個探測器去觀察它。一旦有任何儀器Nthe inside? Unfortunately we can』t send a probe inside to take a look. Once any instrument

穿過視界，它就消失了。但是，別忘了我們有愛因斯坦的場方程。Ncrosses the event horizon, it』s gone. But! Don』t forget we have Einstein』s field equations.

如果這些方程能正確地解釋黑洞外面的時空，那麼我們就能用它們

去預測黑洞內部正在發生什麼。Nto predict what』s going on inside as well.

為了了解場方程，科學家們考慮到了兩種獨立的情況：旋轉的黑洞，

和不旋轉的黑洞。不旋轉的黑洞是更簡單的並能先被

理解。在這種情況下，所有在黑洞里的物質崩塌為

黑洞里的一個被稱為「奇點」的點。N在這個點（奇點）上，時空被無限捲曲。

旋轉的黑洞有著一個不一樣的內部。在這種情況下，在黑洞里的物質

將會持續地坍縮，但由於旋轉，它將會崩塌成一個環，

而不是一個點。這個環沒有厚度，且其被稱為「奇環」。

黑洞研究持續至今日，科學家們正在積極地投入到

黑洞出現在大爆炸之後可能性，及

黑洞能創造一個被稱為「蟲洞」的，N連接我們宇宙的遙遠的點的橋的想法之中。

我們對黑洞有很多了解，但是依舊有很多的謎團有待解決。

一個少為人知的事實——所有的「YouTube」N視頻被存在一個特殊的被稱為NIt』s a little known fact that all YouTube videos are stored in a special fabric called

「娛樂時間」的構造里。當你觀看一個視頻時，N會在娛樂時間裡傳送能量波。

此外，當你訂閱一個頻道時，會產生一個極其微小的黑洞。N因此，如果你喜歡

黑洞，那麼你就應該知道下一步該做什麼.......N譯：Chauncy RenN（觀看更多中文天文視頻歡迎關注weibo天文在線）N【也歡迎您加入我們字幕組，私信koukou零度星系（南充）】

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