天体物理学导论/黑洞

黑洞是物理学中的一种理论物体，其引力非常强，以至于任何东西都无法逃逸。黑洞的概念源于宇宙速度极限，即光速。这创造了一种我们称之为事件视界的异常现象。

事件视界和史瓦西半径

事件视界本质上是黑洞的“皮肤”。它是黑洞内部和外部之间的屏障。当你位于黑洞外部时，你就位于事件视界之外。你仍然能够与宇宙中的其他部分进行交流，尽管你的交流信号可能会由于引力效应而发生严重红移。任何穿过事件视界的东西都将永远无法逃逸。因此你可能现在正在问自己，事件视界是如何产生的，我们如何确定它的位置？答案是，我们计算它的史瓦西半径。史瓦西半径是由卡尔·史瓦西在1916年发现的。这是基于宇宙速度极限和能量守恒的概念。所以让我们做一个非相对论推导。

首先，我们从一个系统的总能量方程开始。

$E={\frac {1}{2}}m_{1}v^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}$

其中 $m_{1}$ 是某个任意物体的质量，v 是它的速度，G 是万有引力常数。 $M_{2}$ 是将成为我们黑洞的巨大物体的质量，r 是从我们黑洞物体中心到该物体的半径。所以我们现在将最大化 $m_{1}$ 的动能，方法是将其速度设置为光速。所以

$E={\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}$

只要物体的总能量为正，它就可以逃离黑洞，而不会被困在它的事件视界中。所以我们可以说，如果一个物体的能量小于或等于零，那么它就会被困在事件视界内。换句话说

$E\leq 0$

这给出了

${\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r_{s}}}\leq 0$

现在求解 r

${\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}\leq G{\frac {m_{1}M_{2}}{r_{s}}}$

$m_{1}$ 被消掉了。

${\frac {1}{2}}c^{2}\leq G{\frac {M_{2}}{r_{s}}}$

$r_{s}\leq G{\frac {2M_{2}}{c^{2}}}$

所以只要半径小于右边的值，你就在黑洞的范围内。

宇宙学和黑洞

物理学家喜欢问天文学发现的一个问题是，这些发现告诉我们宇宙的本质是什么？具体来说，宇宙学家想知道宇宙是开放的还是封闭的，是在膨胀还是在收缩。那么史瓦西半径对此能说些什么呢？请记住，尽管这个结果很有趣，但它不是最终答案。事实证明，通过对宇宙质量的一些估计，并假设宇宙中存在均匀的密度，以及由哈勃常数确定的宇宙半径，宇宙可能满足史瓦西半径的要求，并具有成为黑洞的临界密度。但正如任何宇宙学家都会告诉你，数据的误差太大，以至于科学家无法确定最终答案是什么。黑洞是宇宙历史上最重要的东西之一，因为它们塑造了宇宙，使它成为今天的样子。

黑洞的探测

黑洞的主要问题在于它们无法直接探测。我们无法看到它们。因此，天文学家和天体物理学家寻找它们的影响。有一些迹象可以用来寻找它们。

首先是物体围绕着空无一物的东西高速旋转，这可以通过对向心力的相对论计算来确定。这些计算还可以用来估计黑洞的大小和质量。

科学家寻找的第二件事是吸积盘。这些是由黑洞吞噬附近物体中的物质和粒子时形成的物质盘。粒子获得了如此巨大的能量和热量，它们开始发热并辐射光。这可以用来确定整个系统的许多信息。通常，吸积盘是由围绕的恒星形成的。

第三种，可能是最不常见的方法，涉及测量周期性的 X 射线发射。

黑洞的理论问题

正如流行的看法可能证明的那样，黑洞实际上确实给物理学带来了一些理论问题。其中一个最主要的问题是能量借用。在物理学中，为了使一些反应发生，必须从宇宙中“借用”一些能量来创造一个特定的粒子。这通常会产生两个粒子：所需的粒子及其配对的伙伴粒子。例如，τ 粒子和τ 中微子。现在假设这种情况发生在黑洞视界边缘，一个粒子被吸进去而另一个粒子没有。这两个粒子无法重新组合并湮灭回能量。现在假设这种情况无限地发生。我们得到的结果可能是宇宙中无限的能量泄漏，以及黑洞内部无限的质量增加。这是一个必须由物理学家解释的问题。

黑洞的最新发现

这里会提到一些最新的发现，但不会进行解释。

黑洞可能没有光滑的表面。

可能到处都有微小的黑洞。

关于黑洞的误解

在众多粒子加速器开放期间，发生了许多抗议活动，因为抗议者害怕使用粒子加速器会产生巨大的黑洞，吞噬世界。这些人相信这是由于这些事件中产生的能量巨大。与他们的看法相反，这种情况不会发生。你必须将极其巨大的物体限制在一个非常小的空间内才能创造出黑洞。事实上，要将地球变成黑洞，你必须将其半径缩小到大约 20 毫米。