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栏目: 生活

为什么科学家说黑洞不是洞,我们只是被光和时空所欺骗了?

黑洞这个词指代的并非是宇宙天体,而是一个时空极度扭曲(引力非常大)连光都无法逃脱的区域。光无法反射出来,即无法传递出信息,就如同一张照片,我把某些位置的信息抠掉,那个无法传递出光信息的区域就是黑洞,所以黑洞并非是实打实的天体。

黑洞区域的成因

黑洞的引力来源于体积无限小,质量非常大的奇点(数学中描绘无法定义的点),它位于黑洞的中心。奇点是一个被极度挤压的致密的点,关于它的推测来源于爱因斯坦。按照广义相对论的场程式,大质量天体,在引力作用下会塌陷成一个密度无穷大的点,即奇点。

黑洞的形成

无论是牛顿的万有引力,还是爱因斯坦的时空几何,质量都是黑洞形成的关键。而大质量天体想要成为黑洞,还需千锤百炼。当一片星云,由于外界因素的干扰(例如:超新星爆炸),平衡状态被打破,于是快速汇集成为一颗恒星。

核聚变反应抵抗

简单来说,黑洞形成的过程,就是恒星“浓缩”的过程。星云的聚集也是质量的聚集,质量聚集又会产生引力,使恒星内如出现高温高压的环境,从而产生了核聚变。

核聚变,从字面意思可以理解,原子的原子核聚集,较轻小元素汇聚成重元素,并且释放能量。

例如:氢聚变成氦。

当氦也承受不了引力坍缩,在高温高压中继续进一步聚变,就出现了碳氮氧循环的连锁聚变反应,元素进一步增大。

引力的大小跟距离成正比,离中心距离不同,所受的压力不同,“浓缩”的情况也就不同。整个恒星就会由不同的元素构成,如同一个“洋葱”,而最终恒星的内核会聚变成铁元素。

在元素周期表中,聚变反应到铁元素,都是属于释放能量阶段,而铁进一步反应释放的能量小于吸收能量,在引力的压制下,并没有主动的能量来源能够促使它进一步聚变,所以恒星内部的聚变反应,最终的元素只能到铁为止。

元素受到引力的作用,发生核聚变反应,反应过程,释放大量的能量,这些能量则用来抵抗引力,这是一个“自作自受”的循环过程,然而核聚变是有终点的,所以恒星就有了寿命。寿命的大小取决于核聚变反应的“原料”及反应的速度,当所有“原料”聚变成“废料”(铁元素),那么物质只能依靠自身的物理性质来抵抗引力。

物理抵抗

作为一个原子,也是有着傲娇的原则,不同的粒子,不能占据空间的中的同一位置,当有其他粒子靠近,就会把它们推得远远的,靠得越近,相互排斥的力也就越大,我们把这种排斥的力叫做简并压力。

当恒星中心的废料(Fe),进一步坍缩,于是电子就会靠近原子核,电子简并压力成为对抗引力的主力。当电子简并压力对抗不了引力,就会通过跃迁释放高能量光子,光子击穿原子核,质子与中子被被打散。当带正电荷的质子见到了带负电荷电子,相互综合变成了中子,并且释放出中微子,发生超新星爆炸,弹开铁核心外围的物质。

此时,这颗恒星就变成了由中子组成的中子星,同样中子与中子之间也存在着中子简并压力。当引力继续碾压,中子也扛不住了,于是就会进一步被挤压,最后浓缩到极致,形成一个质量非常大,体积无限小,非常致密的一个点——奇点。

黑洞领域

由此我们可知黑洞最终形成了一个点,由于这个点的质量巨大,产生的引力连光都无法逃脱。

牛顿

牛顿说两个物体会互相吸引,引力的大小与距离和物体质量有关,即万有引力。根据波粒二象性,光存在粒子性,而通过e=mc^2,可以计算出光子具备的动态质量。有了质量就可以和天体之间相互吸引。我们在地球上扔标枪,最终都会落回地面,而当火箭具备一个初速度(第二宇宙速度)就可以摆脱地球引力的控制。如果在一个天体的一定范围内,光都会被它拽回地面,无法逃脱,这个范围内就是黑洞的视界。

爱因斯坦

在《广义相对论》描述,引力是时空的几何性质,时空的扭曲是光线出现偏转的原因,只因为光只能按着时空的路线行进,当时空极度扭曲,光都“转不出来”,这就是黑洞控制的领域,我们管这个领域叫做视界。

黑洞是不是窟窿

因为我们接收不到黑洞中的信息,所以关于黑洞的内部,都是根据现有理论的推测,从外部来看,里面一片“漆黑”,而这个漆黑的区域就是视界。

引力的范围

我们去到南极、北极都可以正在行走在冰川上,在赤道我们也会被重力拽到地面上,可见引力是面向四面八方的。而黑洞就是以奇点为中心,以光逃不出的距离为半径的球体,并非一个洞,或者一个窟窿。

真实的黑洞

真实的黑洞如同下图,周围的物质是由于黑洞引力形成的吸积盘,存在于视界之外。然而如果有一天我们走到黑洞面前,黑洞并不会如下图这样。

因为黑洞及黑洞周围的时空高度扭曲,吸积盘反射的信息,沿着扭曲的时空传播到我们眼中,所以在我们眼中的黑洞背面的吸积盘的“影像”就如同被翻转了过来。上面的吸积盘是黑洞背部吸积盘的顶面,下面的吸积盘是底面,这就是真实的黑洞与看到的黑洞。


- 出处:搜狐/天文地理

栏目:生活

2020-12-27 (

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