到底什麼是黑洞

本文解答了有關黑洞的基本問題，如「什麼是黑洞？什麼時候會形成黑洞嗎？科學家能看到黑洞嗎？什麼是黑洞的「事件視界」？」到底什麼是黑洞？作者：安德魯·齊默爾曼瓊斯(Andrew Zimmerman Jones)

黑洞的藝術描繪圖像，美國國家航空和航天管理局（NASA）問題：什麼是黑洞？什麼是黑洞？什麼時候會形成黑洞嗎？科學家能看到黑洞嗎？什麼是黑洞的「事件視界」？答：黑洞是根據廣義相對論方程預測的理論上存在的實體。當一個質量足夠大的恆星發生引力塌縮時，它的大部分或全部質量會在一個微小的空間內極度壓縮，從而產生一個具有無限時空曲率的點（奇點）,這就是黑洞。黑洞那巨大的時空曲率禁止任何事物從它的「事件視界」或黑洞的邊界上逸出, 甚至連光線也不能。雖然對黑洞效果的預測與觀察值相符合，但從未有一個黑洞被人們所直接觀測到。存在少數如磁層永恆摺疊對象（MECOs）的，替代理論，來解釋這些意見，避免其中大部分在中心的黑洞的時空奇點，但絕大多數物理學家認為，黑洞的解釋是最有可能正在發生的物理表示。物理學上也有少數可以替代黑洞的理論，它們可以解釋這些觀察結果，同時又避免了黑洞中心時空奇點的出現，比如磁層永恆塌陷物體（ MECOs ）。但是絕大多數的物理學家都認為黑洞理論才是最有可能解釋宇宙物理行為現象的理論。相對論之前的黑洞理論18世紀初，就有人提出大膽的設想：一個具有超大質量的物體，可能會把光吸進去。當時，牛頓光學是光的微粒論——把光當作粒子來處理。約翰·米歇爾（John Michell）於1784年發表過一篇論文。文中預測了一種半徑為太陽500倍（但密度必須與太陽相同）的天體，其表面逸出速度將達到光速，因此這樣一種天體是不為人所見的。然而在在20世紀初，當光的波動論突然出現的時候，人們對這種理論的興趣便消失了。近代物理學很少涉及黑洞的理論實體，為使其與真正的黑洞區別開來，科學家將其稱為「暗星」相對論產生的黑洞理論1916年，在愛因斯坦的廣義相對論發表的幾個月後，物理學家卡爾·史瓦西（Karl Schwartzchild）提出了求解愛因斯坦球形物體質量的方程式（稱為史瓦西度量）... ...產生了意想不到的結果。這個方程式有一個不可思議的特點：某個特定的球體半徑計算時會使此項分式的分母等於零，從而形成數學上的「溢出」。 這個半徑稱為史瓦西半徑，用符號rs表示，其表達式為：rs = 2GM/c2G是引力常數，M是質量，c是光速。史瓦西的結論被證實是理解黑洞的關鍵，這本事就是一個奇怪的巧合，因此，人們把「史瓦西」翻譯成「黑盾 」。黑洞的性質半徑小於rs、總質量為M的球體就是黑洞。事件視界這個名稱的出現即始於rs，因為以球體為中心的rs半徑內，擺脫黑洞引力的逃逸速度為光速。黑洞通過其引力來吸引質量，但是，已經在黑洞內部的質量再不可能從黑洞中逃逸出來。黑洞往往根據物體或質量的「落入」來進行解釋。Y對一個正在落入黑洞的X進行觀測。X落入過程中，Y會發現X的鐘錶變慢，當X到達RS半徑時，鐘錶保持靜止不動，這意味著時間已經被凍結了。Y觀測到的是從X射來的光的紅移，在X到達rs半徑時，這個紅移達到了無窮大（因此X就變得不可見了——但由於某種原因我們仍然還可以看到它們的鐘錶。這是否就是理論物理學的魅力所在？）。X自身的感知會發生明顯的變化。理論上，一旦X跨過了rs半徑，它永遠都不可能擺脫黑洞的重力。（連光也不能逃脫黑洞的事件視界。）黑洞理論的發展20世紀的20年代，物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar ）推導出一個結論：根據廣義相對論，任何超過太陽質量1.44倍（ 這個質量稱為錢德拉塞卡極限）的恆星都必然崩塌。而物理學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington） 則認為，某些性質會阻止這種崩塌。分別從兩個理論的角度看，兩者均是正確的。1939年，羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）預測，一個超大質量的恆星會崩塌，從而形成了一個真正的「凍結之星」，而不僅僅是基於數學計算的「暗星」。崩塌觀測起來似乎在減慢，實際上時間的凍結就發生在恆星坍塌到rs半徑之時。恆星發出的光在rs半徑上會產生的紅移。遺憾的是，許多物理學家把這一切看做是宇宙在史瓦西尺度高度對稱情況下才存在的一個特徵，他們認為由於宇宙的不對稱性，這樣的崩塌並不會發生。直到1967年——在發現史瓦西半徑rs近50年後，物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）才證明，恆星崩塌產生黑洞不僅是廣義相對論直接推導的結果，而且也沒有任何辦法來制止這種崩塌。脈衝星的發現進一步支持了這一理論。此後不久，物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）在1967年12月29日的演講中開始採用「黑洞」這個名稱。後續工作包括霍金輻射的發現，表明黑洞能夠發出輻射。對黑洞的推測黑洞是一個研究領域，吸引著喜歡挑戰的理論家和實驗者。今天，人們普遍認可了黑洞的存在，但其確切性質仍舊不明。有些人認為，落入黑洞內的物質可能會在宇宙的其他地方重新出現，就像在蟲洞（wormhole）那樣。黑洞理論的一個重要補充是英國物理學家斯蒂芬·霍金於1974年發現的霍金輻射。譯註：事件視界：事件視界（event horizon），也叫事象地平面，是一種時空的曲隔界線，指的是在事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的信息，或者受到事件視界以內事件的影響。因為即使速度快如光也無法出脫事件視界的範圍，因此又演繹出「視界」的譯詞，作為外界觀察者可看見範圍的界線；從這點，事件視界所包住的時空對外界的觀察者而言看起來是黑的，而出現了「黑洞」這名稱。光的微粒論與光的微粒論。前者認為光是一種粒子（光子），後者則認為光是一種波。現代理論中，光具有「波粒二象性」，即光既是粒子，同時也是波。紅移：指物體的電磁輻射由於某種原因波長增加的現象，在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。紅移的現象目前多用於天體的移動及規律的預測霍金輻射：在"真空"的宇宙中,根據海森堡測不準原理,會在瞬間憑空產生一對正反虛粒子,然後瞬間消失,以符合能量守恆.在黑洞視界之外也不例外.霍金推想,如果在黑洞外產生的虛粒子對,其中一個被吸引進去,而另一個逃逸的情況.如果是這樣,那個逃逸的粒子獲得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮滅,可以逃逸到無限遠.在外界看就像黑洞發射粒子一樣.這個猜想後來被證實,這種輻射被命名為霍金輻射.由於它是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的質量也會漸漸變小,消失；它也向外帶去信息,所以不違反信息定律。蟲洞：該理論由阿爾伯特·愛因斯坦提出。簡單地說，「蟲洞」就是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，並提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時空隧道，所以也叫"灰道"。
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