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e科普将今年的诺贝尔物理学奖授予了三位物理学家，一半授予了罗杰·。 彭罗斯( roger penrose )说:“因为发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。” 另一半是雨哈德·； 根泽尔( reinhard genzel )和安德烈亚·； 安德烈亚盖兹说:“因为在银河系的中心发现了超大质量的致密天体。” 彭罗斯是英国的数学物理学家，从1965年到1970年期间，彭罗斯和霍金在一系列事业中说明了奇点定理:如果宇宙物质尽可能满足苛刻的条件，广义相对论就会导致奇点的出现。 奇点是黑洞的中心点，该点的物质密度趋向无限大 因为这个彭罗斯(和霍金)的工作表明，根据广义相对论，黑洞的出现几乎是不可或缺的。 哈德森·； 根泽尔和安德烈亚·； 格兹是两个观测天文学家 他们通过长时间观测银河系中心恒星的运动，推测银心存在超大质量的致密天体。 根据观测资料，他们天体的质量约为430万倍太阳的质量，但其直径小于4400万公里(太阳的直径约为140万公里)，按照现在的理论黑洞几乎是这个天体的唯一解释。 哈德森·； 根泽尔和安德烈亚·； 古兹实际上确认了黑洞的存在 这次“e科普”专栏特别邀请理学院教师葛力简单介绍广义相对论和黑洞，介绍给网民。 在20世纪物理学的许多理论中，最能引起大众好奇心和想象力的大致是“黑洞”。 自1969年约翰·惠勒发表“black hole”名词以来，它经常出现在许多科普和科幻作品中，强烈吸引了很多网民的观察。 黑洞，顾名思义是一个黑暗而深邃的洞穴，包括光在内什么都逃不掉。 这种神秘的存在天然引起了人们的好奇心:这种现象的原因是什么？ 黑洞的逃不掉的区域是多少？ 掉进黑洞里会怎么样？ 介绍黑洞这个概念的早期历史和现代的迅速发展，简单回答这些问题。 (1)米歇尔·拉普拉斯的“暗星”1783年英国天文学家米歇尔首次提出了“暗星”的概念。 我知道一个行星有所谓的“逃逸速度”。 这颗行星表面的物体至少必须达到这样的速度才能摆脱行星重力的束缚。 对地球来说，这种逃逸速度是第二宇宙速度: 11.2km/s。 有没有那样的星星，从其表面发出的光也逃不出重力的束缚。 米歇尔使用当时流行的“光微粒”假设，把光看作有质量的粒子，采用牛顿力学，很容易得到满足暗星质量和半径的条件。 其中c是光速，g是重力常数。 一个有趣的事实是暗星半径和后来根据广义相对论计算出的黑洞视界半径完全一致，但两者的物理解释完全不同。 比米歇尔晚了十几年，法国数学物理学家拉普拉斯也提出了同样的概念。 但拉普拉斯更有名，所以很多人认为他是第一个提出暗星的。 毕竟拉普拉斯是那个年代的重要科学家，面对拿破仑，他也说:“陛下，我不需要(上帝的)假设。 “在暗星提出后不久，天文学家引起了非常有趣的事情，但几十年后光的波动说取代了微粒子说，不知道重力对光波的影响，对暗星的热情消失了。 (二)广义相对论现代黑洞理论以广义相对论为基础 1915年底爱因斯坦最终完成了广义相对论，彻底改革和创新了人们对重力和时空的认识。 这个广阔而深刻的理论把时间和空间合二为一，我们的宇宙- -上下四方曰宇，古今曰宇---整体是四维时空，时间t和空间坐标( x，y，z )共同给定了这个四维几何上的几个位置( t，x，y，z )。 坐标本身没有本质意义，如果两点的时间坐标分别是t1、t2，即使这两点的空间位置相同，在那里的观测者经历的时间通常也不是t2-t1。 同样，如果同时两点的空间坐标分别是x1、x2 (假设y和z坐标相同)，则它们之间的距离通常不是x2-x1。 实际上，可以对该几何体进行任何坐标转换(包括时间坐标转换)，但物理定律保持不变。 中国的世界地图总是以中国为中心，美国的世界地图就像以美国为中心的例子。 这就是所谓的坐标变换，地图看起来不一样，但它们都反映了同一个地球。 这个坐标本身没有直接的物理意义，所以有意义的是两点之间的距离和经过时间，决定这些量的是这个几何上的测量结构。 在经典的牛顿时空观中，测量结构是绝对的、先验的:空间的测量是欧几里得的性质，如果知道两点的坐标，它们的距离由链式定理给出。 时间均匀流动，万物无处不在，他们感受到的时间流动是一样的。 告诉我们物质的分布和运动如何影响时空的测量结构的是广义相对论的核心爱因斯坦重力场方程。 现在时间和空间不仅是万物运动的舞台，它本身也参与了宇宙的进化。 由于物质的存在，时空尺度不再是欧几里得性。 例如在太阳周围画半径为r的圆，严格来说圆的周长不是2πr 时间的流逝也受到太阳的影响，太阳表面附近的表比远离太阳的表慢一点。 根据相对论的计算结果，可以校准卫星上的原子钟和地面上的钟表(在这里起最重要作用的是地球的重力)，对正确的gps定位很重要。 那么物质弯曲时在空中是如何运动的呢？ 我知道物体在没有重力的平坦时空中进行等速直线运动，也就是说它的世界线是直线。 世界线是物体的四维坐标( t，x，y，z )横穿的线。 这是因为即使是静止的物体，也横穿与时间轴平行的世界线。 在弯曲时空中，直线应该被宣传为测地线，也就是连接两点之间的最短距离线。 这里所说的最短不是一般意义上的空间距离，而是由测量结构决定的四维时空距离。 万有引力之所以是“万有”，是因为它本质上是时空的性质。 因为在纯粹的引力作用下，万物在时空中横穿测地线。 因为这可以用一句话概括广义相对论。 物质告诉我们时空是如何弯曲的，时空告诉我们物质是如何运动的。 这句话是扔“黑洞”的约翰惠勒说的。 如果你知道宇宙现在的物质分布并解出爱因斯坦的方程式是什么意思？ 那意味着知道宇宙时空的整体历史，是完美的四维几何。 因为在其中的我们因为某种理由不能接受未来的消息，我们自己也不能回到过去，感受到了时间的流逝。 但是，如果广义相对论的理念最终是正确的，正如爱因斯坦所说，“过去、现在、未来的区别，只是顽固的幻觉”。 (三)恒星结束的太阳已经稳定存在了50亿年。 在古人眼里，太阳东升西落照亮大地，本身就是一个难以言喻的真理。 因为古代神话往往赋予太阳神最高的地位。 但现在我知道太阳的运行也只是更大自然法则的体现。 宇宙中总是诞生很多恒星，很多恒星都死了。 这是普通的事件。 接下来，让我们看看经历了辉煌的一生，恒星以什么方式落下帷幕。 太阳现在处于所谓的主序列星阶段，核的氢元素稳定地集合成为氦元素。 融合释放的高能辐射产生很大的压力抵抗重力，这就是恒星结构稳定的理由。 但是，热核燃料总有一天会枯竭。 在恒星生命的末期，经过一连串的痛苦和反击，终于所有的尘埃落定，死亡慢慢降临。 像太阳这样小质量的恒星最终变成白矮星，半径缩小到原来的1/100，内部的核反应结束，只剩下残存的热量发光。 随着它的逐渐冷却，白矮星最终变成了冰冷黑暗的黑矮星，埋没在无边的宇宙中，这一点不得而知。 但是，并非所有的恒星都是这样死的。 白矮星的质量有其上限。 这就是所谓的钱德拉塞卡的极限。 质量远大于太阳的恒星在热核反应结束后，会留下超过钱德拉塞卡极限的核，因此无法避免进一步的重力衰变，核最终是中子星的电子被推入原子核内部，与质子一起成为中子。 恒星的外侧急速下落到核表面反弹，由此产生的强冲击波撕裂了整个壳。 这就是超新星爆炸。 1054年北宋时代注意到的超新星爆炸遗迹形成螃蟹星云超新星爆炸，将星星约90%的质量散布到星际空间，这些物质中有再次成为恒星的，也有成为行星的，我们地球上的物质由此而来。 爆炸的硝烟散去后，原来恒星的位置上残留着中子星，整个星球几乎是巨大原子核，其密度达到原来的1014倍，这是科幻小说《三体》中所说的强大的相互作用力材料，由此建造的三体宇宙飞船“水滴”使人类引以为豪的舰队变得简单 中子星的质量也有上限，被称为奥本海默·沃尔科夫极限。 中子星超过这个极限的话，无法阻止的重力坍缩就会开始，所有的物质都会迅速向中心落下。 这次没有什么能抵抗重力的力，所有的物质结构都被破坏了，最终形成了宇宙中最神秘的天体黑洞。 (四)史瓦西黑洞的恒星进化为黑洞后，其过去的痕迹几乎全部消失，只剩下质量、电荷、角动量三个整体性质。 黑洞的一切都是用这三个量画的。 从这个意义上来说，黑洞是宇宙中最简单的天体，简单的就像基本粒子。 一个电子也是用这三个量画的。 史瓦西黑洞是既不带电也不自转的黑洞，因为知道质量就知道一切。 这个黑洞的名称来自德国物理学家施瓦辛特，他给出了广义相对论的第一个严格解，可以推测黑洞的存在。 史瓦西解表示，如果将任一物体压缩到其史瓦西半径以内，该物体就会变成黑洞。 也就是说，像你这样的人也可以成为黑洞。 如果我们压缩在各自的史瓦西半径以内 这个半径和物体的质量，正好是米歇尔·拉普拉斯给出的暗星半径式，用这个式子连接。 对太阳来说rs大约是3km 对一个重70kg的人来说，rs大约... 10−25 m，无论如何都不想被压成这样。 但是黑洞不是充满史瓦西半径以内的球体，实际上是所有质量集中在中心的所谓奇点。 rs的球面是“事物的视野” 顾名思义，球面内发出的任何信号都不能发出到球外。 因为这个内部的事情不被外部知道。 如果向球面发出光，这种光最多只能绕视界面旋转。 另一方面，视野外的物质可以无障碍地落入内部。 这个视野是黑洞重力引起的单向膜，但它的位置实际上是空的。 宇宙诞生以来无数恒星都死了。 因为这个宇宙中必然存在很多黑洞。 事实上，大部分星系的中心都有超大质量黑洞，有确凿的证据表明其重力维持着整个星系。 银河系中心的黑洞是太阳质量的约400万倍，而m87银河中心，也就是今年拍摄的是质量是太阳质量的70亿倍的超级超级黑洞。 这些黑洞在漫长的岁月中吞噬了无数物质并像现在这样膨胀，他们自己没有发出光，但驱动了宇宙中最明亮的光源恒星，其亮度可以远远超过整个银河。 恒星:物质落入黑洞的过程中加速到极高的速度，相互摩擦达到极高的温度，从而放射出大量的电磁波。 既然银河中心存在巨大的黑洞，会不会花时间吞噬整个银河呢？ 你不用担心。 对于一个视野外的物体来说，黑洞的重力和满足视野内部的相同质量的物体产生的重力是相同的。 其他天体稳定旋转，使地球绕太阳旋转 只是轨道半径太小的话，黑洞的重力会撕裂天体，吸引其上的物质的一部分在自己周围形成所谓的堆积盘，放出巨大的x射线。 在流浪地球中地球通过木星附近时，木星的重力与吸引地球大气是一样的效果。 如果身体从很远的地方掉进黑洞，他会经历什么呢？ 远离黑洞的时候，他的感觉和在地球上自由落下一样，是全身蓬松的重量减少感。 随着他接近黑洞潮汐力开始发挥越来越大的作用。 潮汐力是人的头和脚受到的引力之差。 这在定性上可以用万有引力法则理解:引力和距离平方正反比，严格来说是因为开头和脚受到的引力不同。 身体的头向前掉进黑洞的话，施加在头上的重力就会变大一点。 一般天体的半径远远超过人体的身高。 因为潮汐力可以忽略不计。 但是黑洞的质量都集中在一个点——奇点。 所以，当人落入奇异点足够近时，潮汐力越容易撕裂人就越大，这位不幸的兄弟在落入奇异点之前就把骨头打碎了。 上面的分解是从坠落者自己的立场来看的，这里没有什么“视野”，这个仁兄在穿过视野时没有特别的感觉。 这里假设视野中的潮汐力还很小，可以满足超大质量黑洞。 但是，根据广义相对论的不同，时间的经过也不同。 呆在远处的注意者会看到什么景象？ 他会看到落下的人接近视野，接近，不断接近，但永远无法到达视野。 也就是说，在外面的注意者看来，这个不幸掉进黑洞的人永远活着。 直观地解释这种现象并不容易，这是广义相对论的计算结果。 这个空如也的视觉界面把时空分成了两个领域 我们用r标记一些径向坐标，用t标记时间。 由于时空扭曲，r不是离黑洞中心的真正距离，t也不是落入黑洞的人自己经历的时间，只有在远离黑洞的地方，r和t才有我们一般认为的意义。 在视野内部，时空结构发生了根本变化，r事实上代表了时间！ 指向中心奇点的方向是时间向前的方向！ 因此，视野内部的任何物体都必须落入奇点。 因为那是时间的方向。 作者简介:葛力，1985年出生，星耀杭电育人之星 理工科教师上大学物理和电气力学等课 这次e科普来了这里！ 请期待下一期 // e科普//让吸收知识像呼吸一样在自然栏长时间募集:1.通俗易懂的科普小文 (结合热点和杭电生活更受欢迎)2.书评、时评、散文、诗歌、科普录像等 (全部原创哦)欢迎使用邮箱: 3423701449@qq文字|葛力排版|李博迪责任篇|楼威推荐阅读1 .烟头减少！ cd潮退了！ 志愿者参照2.3.4.6.9 .第二届“全国创新先争奖”的发表，本校徐铭恩教授的获奖原标题:“e科普|探索黑洞的秘密”原文
