物理学解释“黑洞”_精品文档.doc

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在人类对未知世界的各种探索中，对黑洞、白洞与虫洞的探索越来越引起人们的兴趣和关注。

这里对它们分别作一概要介绍。

黑洞

黑洞是我们宇宙中最奇怪、最神秘的物体。

天文学家相信在宇宙中有无数的黑洞，并且认为：

黑洞是涵盖了一切事物开始的关键，它们是未知世界的大门，要探索宇宙的由来离不开对黑洞的研究。

一、黑洞的成因与分类

在前面有关恒星演化的理论中已谈到，当一个大质量的恒星在其生命最后阶段会因自身的引力而坍缩。

它自身的引力是如此之强，以致它的核坍塌直至成为一个没有大小、密度极大的数学上的点。

围绕这个点有一个直径只有几公里被称为视界的区域，这里引力强得使任何东西、甚至于连光都不能逃逸出去，这就是黑洞。

其实，除此之外，黑洞还有一种成因：

就是在宇宙大爆炸的早期，宇宙的压力和能量是如此之强，使无限大一瞬压缩成为不同尺度和无限多质量坚决一点的太初黑洞。

通常，对一个物体的完整描述需要很多参量，而黑洞只需用质量、角动量和电荷三个参量描述第一时间里面所有物质都压成粉碎角动量质量和重量和电荷描述拉近一点形成黑洞只有四种类型：

最简化的无电荷、无转动的球对称黑洞-----史瓦西黑洞；有电荷、无转动的球对称黑洞；无电荷但有转动的黑洞；以及又带电荷又有转动的黑洞

二、黑洞的碰撞和黑洞的蒸发

早期宇宙物质的分布相对集中，彼此之间相隔的距离不远，在各处飘荡着的黑洞很有可能相互遭遇，导致两个具有强大引力场的天体发生剧烈的碰撞，然后合而为一。

此外，在一些星系内部，星系中心的强引力会使邻近的恒星及星际物质更加趋向中心，当聚集在一起的质量大到一定程度的时候，就会坍缩成黑洞。

或者，星系中心区域的一些大质量恒星死亡后坍缩成小黑洞，它们有许多机会相互碰撞而形成更大的黑洞。

在我们的银河系中心和类星体中心都有这种超级大黑洞。

黑洞宿命有他的质量决定一般为20亿年到40亿年如果有公生体可以到40亿80亿年，一般认为，黑洞一旦形成就不会转化为别的什么东西。

黑洞的质量只会因吸进外界的物质而增加，绝不会因逃脱物质而减少。

也就是说，按照经典物理学，黑洞是不能向外发出辐射的。

但霍金认为，按照量子力学，可以允许粒子从黑洞中逃逸出来。

霍金解释道：

量子力学表明，整个空间充满了“虚的”粒子反粒子对，它们不断地成对产生、分开，然后又聚到一块并互相湮灭。

因为这些粒子不像“实的”粒子那样，不能用粒子加速器直接观测到，所以被称作虚的。

尽管如此，可以测量它们的间接效应。

由它们在受激氢原子发射的光谱上产生的很小位移（蓝姆位移）证实了虚粒子的存在。

现在，在黑洞存在的情形，虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞里去，留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。

这个被背弃的粒子或反粒子，可以跟随其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到期无穷远去，在那里作为从黑洞发出的辐射而出现。

由于黑洞质量越小，其引力场就越小，粒子逃逸的过程就变得越容易，因此黑洞粒子的发射率和其表面温度就越大。

黑洞向外辐射粒子导致黑洞质量减小，进一步导致了辐射速率和温度的上升，因而黑洞的质量就减小得更快！

当黑洞的质量变得极小的时候，它将在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射中结束自己的历史！

三、对黑洞的寻找

    黑洞与白矮星、中子星一样，都是先有理论预言然后开始实际的寻找。

随着白矮星和中子星的相继发现，寻找黑洞就成为天文学家需要接着解决的一个课题。

虽然，黑洞并不发光，不能直接观测到，但它与周围物体有相互作用，所以天文学家还是可以利用多种简接的方法寻找黑洞。

现在普遍认为，寻找黑洞最好从X射线双星着手。

如果一个发射强大的X射线的双星系统中有一颗子星看不见，根据另一颗可见子星的轨道运动估计出看不见的子星的质量远大于中子星质量的上限，那么这个发射X射线的天体不应是中子星，很可能是黑洞。

现在，天文学家用这种方法已确定了多个黑洞候选者，其中最佳候选者当数作为这种发射强大的X射线的双星系统之一的天鹅X--1。

正如霍金所言，对这种现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星之时，发展成螺旋状的轨道，并且变得非常热而发出X射线。

为了使这种机制起作用，不可见伴星必须非常小，像白矮星、中子星或黑洞那样。

从观察可见星的轨道，人们可推算出不可见伴星的最小可能的质量。

在天鹅X--1的情形下，不可见伴星的质量大约是太阳的6倍。

按照恒星演化理论，它的质量太大，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。

所以看来它只能是一个黑洞。

白洞

白洞也是理论预言的一种天体。

其理论依据是物质世界的对称性：

即世界上任何一种物质都会有一种反物质与它对称。

例如，现已证实的电子与反电子，质子与反质子，它们大小相等，正负相反，完全对称。

如若两者相遇，就会湮灭。

如果存在一种东西能落进去而不能跑出来的称作黑洞的物体，那就应该存在东西能跑出来而不能落进去的另一种物体。

人们可以把后者称作白洞。

白洞与黑洞相对称，或者说是黑洞时间的反演。

在所有关于黑洞的方程中，将时间量加一个负号都适合于白洞。

白洞也有一个视界。

与黑洞相反，所有物质和能量都不能进入白洞的视界，而只能从从其视界内部喷射出来。

白洞是宇宙中的喷射源，以与黑洞吞噬物质相反的方式向外界喷射物质和能量。

宇宙创生的大爆炸理论描述了我们现在所观测到的宇宙中的一切都是源于150亿年前的一个物质奇点。

这个奇点就很符合白洞所描述的概念。

不过，白洞目前还只是一种理论模型，尚未被观测所证实，究竟是否存在，还有待于今后进一步探索。

虫洞

作为时空隧道的“虫洞”越来越引起人们的关注。

这首先是因为它是星际航行的捷径。

例如，从地球飞往最近的恒星半人马座比邻星，将要飞行4光年的旅程，而通过“虫洞”却只需几小时就够了。

那么，究竟什么是“虫洞”？

这要从大爆发学说和爱因斯坦广义相对论说起。

按大爆发学说，我们的宇宙是由一个高温、高压、高密度的火球爆炸形成的。

这个火球通常被形象地称为“宇宙蛋”。

既然一个“宇宙蛋”可以爆炸成一个宇宙，怎么不会有另一个“宇宙蛋”爆炸成另一个“兄弟宇宙”呢？

由此可见，我们的宇宙很可能仅仅是无数个宇宙中的一个。

根据爱因斯坦广义相对论，一个黑洞就是通往另一个宇宙的大门，所有通过黑洞的物质都将进入外部的时空。

这个新的时空萌芽于我们所在的宇宙。

所以，科学家称之为婴儿宇宙。

每当我们的宇宙出现一个黑洞，就导致另一个婴儿宇宙的诞生。

随后，这个宇宙慢慢成熟。

科学家认为，我们的宇宙有可能通过黑洞与其它宇宙相互连接，其它宇宙之间也会相互连接。

所谓“虫洞”就是连接不同宇宙之间或同一宇宙中的不同地点之间的某种隧道。

所以，物质可以通过这个隧道进入到不同的宇宙或同一宇宙的不同地点。

不仅如此，在“虫洞”的一个尽头的时间不一定与另一个尽头的时间一致。

这就引发人们对快速星际旅行和时间旅行是否可行这类有趣问题开展了探讨。

有些科学家认为，虫洞的进口是黑洞，出口是白洞，虫洞就是连接黑洞与白洞的某种神秘的通道。

宇宙中的物质和能量可能在进入黑洞视界到达奇点后，通过虫洞到白洞，再从白洞的视界喷射出来。

也许我们现在所观测到的宇宙是在比150亿年更久远的“以前”，由另一个宇宙塌缩后进入黑洞，又经过虫洞，从白洞中喷射、爆发出来的。

换言之，我们的宇宙也可能曾是一个婴儿宇宙，诞生于某个宇宙产生一个黑洞的时刻。

根据爱因斯坦广义相对论，时空不能脱离物质而存在。

空间的曲率由其所包含的物质或与物质等价的能量而决定。

我们的宇宙本身就是一个扭曲得很厉害的多连通时空，不过“虫洞”时开时合，比较难找。

更有创意的一种意见认为，可以人为设法制造“虫洞”。

例如，有两只蚂蚁在一张纸上相距甚远，如果把这张纸弯曲或对折，再挖破纸形成一个直接连接两只蚂蚁的洞，那么，这个洞就是人为制造的“虫洞”。

方法之一是扩大微观尺度的“虫洞”。

在10-33厘米的微观世界里，空间如开水沸腾般地进行复杂的晃动，“虫洞”般的结构在其中不断出现又消失，我们可以对此微观尺度的“虫洞”灌进负能量并使其扩大，成为安全可行的快速通道。

虽然，“虫洞”问题的研究还只是刚刚起步，但却引起越来越多的人的兴趣。

因为人们认识到，“虫洞”不仅有可能成为星际旅行的捷径，而且它冲破了以往对宇宙结局的悲观成见，其意义之深远不可估量。