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宇宙黑洞里面是什么(宇宙中的黑洞到底是什么)

宇宙黑洞里面是什么(宇宙中的黑洞到底是什么)常常出现在科普文章和科幻小说中的黑洞,是大家相当熟悉的名词,但是对黑洞到底是什么

黑洞在最近几年变得很热门,2016年科学家公布发现两颗黑洞相撞产生重力波,2017年研究黑洞相撞产生重力波的科学家得到诺贝尔奖,而2018年科学家可能公布黑洞阴影的影像!

常常出现在科普文章和科幻小说中的黑洞,是大家相当熟悉的名词,但是对黑洞到底是什么?似乎又觉得陌生,接下来用简述语言来为你解密什么是黑洞?

宇宙中的黑洞到底是什么?为什么它连光都不“放过”
黑洞的示意图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

认识黑洞之前,先来认识什么是脱离速度。

要跑的快才能脱离黑洞?

脱离速度是指一个没有动力的物体,脱离一个天体表面,不再掉下来的最低速度。以地球为例子,不考虑地球大气的情况下,一个物体要离开地球的脱离速度是每秒11.2公里,只要一个物体的速度超过每秒11.2公里就会永远离开地球,如果物体的速度小于脱离速度就会再落回地球。脱离速度和天体表面的重力有关,跟物体本身的质量没有关系,一颗小石头和一栋房子脱离地球表面的速度都是每秒11.2公里。

月球的重力比地球小,所以脱离月球表面的速度就只要每秒2.4公里。而太阳表面的重力比地球大,所以需要超过每秒618公里的速度才能脱离太阳。

如果在黑洞的表面(事件视界)上,那么要离开黑洞的脱离速度是多少呢?黑洞的脱离速度超过每秒30万公里,也就是要超过光的速度。但是世界上没有东西可以跑得比光还快,所以连光都无法离开黑洞的表面,也就是说一但有东西掉入黑洞的事件视界,就永远跑不出来了。因为连光都离不开,所以黑洞不会发出任何的光(或电磁波),这样的物体就称为黑洞。

史瓦西的黑洞

黑洞的观念一开始是从理论上算出来的。1915年,爱因斯坦发表广义相对论,几个月后德国的物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)在爱因斯坦的重力场方程式中,找到一个精确解。史瓦西的精确解导出所谓的史瓦西半径,也就是一个不旋转且不带电的黑洞大小,在这个黑洞半径内,任何东西都无法逃脱,包括光。

宇宙中的黑洞到底是什么?为什么它连光都不“放过”

宇宙黑洞里面是什么(宇宙中的黑洞到底是什么)

史瓦西把他的计算结果寄给爱因斯坦,爱因斯坦非常的惊讶,因为当时爱因斯坦本人只算出近似解,爱因斯坦用这个近似解成功解释水星的近日点进动。更让人佩服的是,史瓦西当时深受病痛,还为德军在苏联前线作战,居然可以在这样的情况下,得出这样惊人的成果!

史瓦西在给爱因斯坦的信中写到,「就如你所看到的,这场战争对我并不坏,虽然身处战火之中,但是战争让我暂时远离这个世界的纷扰,悠游在你所创造的世界里。」从这段文字中,可以看见史瓦西对科学的喜爱。可惜的是,史瓦西在1916年5月病逝,得年42岁。

可能是黑洞的概念太怪异了,爱因斯坦不认为宇宙中真的有黑洞,他认为黑洞只是存在于相对论的观念里,是一个理论上算出来的东西。这个连爱因斯坦都怀疑的天体,它到底存不存在呢?关于黑洞的7个问题:

什么是黑洞?
如果太阳变成黑洞,地球会被吸进去吗?
黑洞怎么长大的?
天鹅座X-1是不是黑洞?
可以用黑洞做时空旅行吗?
黑洞和黑洞相撞会撞出什么?
银河系中心有一颗大黑洞吗?
宇宙中的黑洞到底是什么?为什么它连光都不“放过”
大麦哲伦云面前的黑洞(中心)的模拟视图。请注意引力透镜效应,从而产生两个放大,以星云最高处扭曲的视野。银河系星盘出现在顶部,扭曲成一个弧形。图:Alain r

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