黑洞论文参考文献

物理是一门历史悠久的自然学科，物理科学作为自然科学的重要分支，不仅对物质文明的进步和人类对自然科学认识的深化起了重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了不可或缺的影响。随着科学技术的发展，社会的进步，物理已渗透到人类生活的各个领域。 在汽车上驾驶室外面的观后镜是一个凸镜利用凸镜对光线的发散作用和成正立、缩小的虚像的特点，使看到的实物小，观察范围更大，而保证行车安全。 汽车头灯里的反射镜是一个凹镜。 它是利用凹透镜能把放在其焦点上的光源发出的光反射成平行光射出的性质做的。 轿车上装有太阳膜，行人很难看清车中人的面孔，太阳膜能反射一部分光，还会吸收一部分光，这样透进车内的光线较弱。要看清乘客的面孔，必须要从面孔放射足够的光头到玻璃外面。由于车内光线较弱，没有足够的光透出来，所以很难看清乘客的面孔。 当汽车的前窗玻璃倾斜时，反射成的像在过的前上方的空中的，这样就将车内乘客的像与路上行人分离开来，司机就不会出现错觉。大型客车较大，前窗离地面要比小汽车高得多，及时前窗竖直装，像是与窗同高的，而路上的行人不可能出现在这个高度上，所以司机也不会将乘客在窗外的相遇路上的行人相混。 现在，人类所有令人惊叹的科学技术成就，如克隆羊、因特网、核电站、航天技术等，无不是建立在早期的科学家们对身边琐事进行观察并研究的基础上的，在学习中，同学们要树立科学意识，大处着眼、小处着手，经历观察、思考、实践、创新等活动，逐步掌握科学的学习方法，训练科学的思维方式，不久你就会拥有科学家的头脑，为自己今后惊叹不已的发展，为今后美好的甚或打下坚实的基础

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。

当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，连中子间的排斥力也无法阻挡。

中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。

已观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以是中央延展物质系统的流动。

吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。

黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。 1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。 为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初，大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时，气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球缩小，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被用得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。 第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。 兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英哩左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。 另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢？即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗？爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信强德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。 现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。 当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。 但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。 罗杰·彭罗斯和我在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。” 事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。黑洞根本不是真正黑的，它们像一个热体一样发光，它们越小则发热发光得越厉害。所以看起来荒谬，而事实上却是，小的黑洞也许可以比大的黑洞更容易地被探测到。

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天文学家通过对星际气体云的影响探测到一个隐秘黑洞。这个中等质量的黑洞是预计潜伏在银河系中的一亿多个安静黑洞之一。这些结果为寻找其他隐藏黑洞提供了一种新的方法，帮助我们理解黑洞的生长和演化。黑洞是一种引力如此之大的天体，任何天体，包括光，一旦落到视界之外都无法逃逸。由于黑洞不发光，天文学家必须从它们的引力对其他物体的影响来推断它的存在。黑洞质量范围从大约太阳质量的5倍到几百万倍太阳质量的超大质量黑洞。天文学家认为，小黑洞会合并并逐渐成长为大黑洞，但从来没有人发现过质量是太阳数百或数千倍的中等质量黑洞。博科园-科学科普：日本国家天文台竹川俊也领导的一个研究小组注意到hhn ，一团气体云奇怪地移动在距离地球25000光年的人马座星系中心附近。他们使用ALMA(阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列)对云进行高分辨率观测，发现它正在一个巨大的不可见物体周围旋转。Takekawa说：详细的运动学分析显示，一个巨大质量，3万倍于太阳的质量，集中在一个比我们太阳系小得多的区域。这一现象以及在那个位置没有任何观测到的物体，强烈地暗示了一个中等质量黑洞。通过分析其他异常云，希望能发现其他安静的黑洞。庆应义塾大学(Keio University)教授、该研究小组的共同负责人冈友治(Tomoharu Oka)补充道：这个中等质量黑洞的发现意义重大，它距离银河系中心的超大质量黑洞只有20光年。在未来，它会落入超大质量黑洞，就像现在的气体一样。这支持了黑洞增长的合并模型。这些结果作为Takekawa等人发表在《天体物理学快报》上《银河系中心另一个中等质量黑洞的迹象》。根据阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列的高分辨率分子线观测，在银河系中心区域发现了绕着一个看不见的大质量物体旋转的分子气体流。这些流也可以复制的形态和运动学两开普勒轨道在一个单点的质量(±)×104⊙。也发现离子化气体靠近轨道气体的内部，表明离解冲击和/或光离子化。研究结果为银河系中心游荡的中等质量黑洞提供了新的环境证据，这也表明高速致密云可以作为我们银河系中大量存在的安静黑洞探测器。博科园-科学科普｜研究/来自: 国立自然科学研究院 参考期刊文献:《天体物理学快报》 DOI: 博科园-传递宇宙科学之美

黑洞结构介绍恒星的质量，用M ⊙作为单位，代表是太阳质量的多少倍。如果一个恒星的质量小于等于10-3M ⊙，那么恒星就表现为行星的样子，其中静电力为主导，恒星不会塌缩，在自己的燃料都消耗完后，成为一个真正意义上的行星。如果质量比10-3M ⊙大，但是没有超过钱德拉塞卡极限：14 M⊙，那么引力就占主导，而且恒星在它的晚年成为一个白矮星，继续消耗着自己的燃料。当燃料也消耗光了，那么白矮星就结晶为一个黑矮星，继续存在着，做几乎完全的刚体运动。质量比 M ⊙大的恒星的命运就比较坎坷了。如果在在晚年爆发为红巨星的时候，将过多的物质喷射出去，那么它将进入白矮星坟墓。如果喷射的物质不够多，那么就会在爆发为红巨星后，迅速塌缩为一个白矮星，然后在极其短的时间内继续塌缩下去，冲破电子简并压的极限，终结在中子星的坟墓中。中子星比白矮星更加致密，也更加接近刚体。如果质量比2 M ⊙大许多，在爆发的时候喷射掉物质后的质量仍然比2 M ⊙大，那么它将成为一个黑洞。在白矮星和中子星系列中，原本恒星的电磁场的能量将保持不变，同时由于表面积的缩小，磁力线会被挤压在一个十分小范围中，从而增加了磁场的强度。 脉冲星和超新星就是中子星和中子星和喷射出的物质的残留。 但是到了黑洞范围中，情况就不一样了。 在中子星和白矮星中，磁力线还是存在的，但是在黑洞内部，不存在磁力线。 所有的磁力线都被束缚在了视界上（膜规范）。不单单是磁力线，连恒星原本的电荷都是类似电子一样完全均匀地分布在整个视界上的。向外发射的磁力线在黑洞没有旋转的时候，和电子周围的电磁场分布一样，完全球对称。在黑洞旋转的时候，由于视界成为了椭球，因而发生了相应的形变。但是整体上，黑洞和基本粒子的电磁场分布几乎完全一样。 黑洞的视界周长与黑洞的质量成正比关系：，这里用周长而不用物体到黑洞中心的距离，是因为如果黑洞存在，那么在黑洞周围的时空必定已经被黑洞的引力拉成了非欧几里德的，而是黎曼的了。因而距离的概念已经没有了必要，视界周长和轨道的周长取而代之，用来描述黎曼时空几何的弯曲程度。由于这里的时空是弯曲的，因此牛顿的万有引力定律已经失效了，取而代之的是爱因斯坦的场方程。我们这里仅仅使用其中的结果： 从这个公式，我们可以得到一个描述潮汐力（就是物体在相对接近和远离的两个部位受到的引力的差）的公式：，其中的l 就是这两个部位之间的距离。 从这个公式，我们又可以知道什么呢？我们知道的是，当物体接近视界时，物体所受到的潮汐力反比于黑洞质量的平方！也就是说，黑洞越重，那么它的潮汐力越柔和！但是必须注意的是：我们这里说的潮汐力，而不是引力。潮汐力是引力引起的物体两端的引力差。无论什么黑洞，他的引力是保持巨大无比不会变的，变的是引力的变化率，以及这个变化率引起的潮汐力。 这里说的是黑洞的外部，现在来看看黑洞的内部。 在黑洞的内部，是量子理论的天下，相对论仅仅指明了一个模糊的方向，而具体潮汐力、引力如何，是量子理论决定的。 在这里，奇点的混沌效应使得一切计算都是徒劳的，我们不可能知道潮汐力在什么方向上以多大的力是拉还是压一个物体。我们可以做的，仅仅是说明一下，质量越大的黑洞，内部的量子效应越柔和；距离奇点越远，你受到的平均潮汐力越柔和。至于细节，我们无能为力。 但是也不是什么都不能说。 我们通过概率的计算，可以知道，在奇点周围，视界内的空间，随机的潮汐力总在三个方向上不断交替地、比较有周期地来回拉扯、挤压着物体。这种力在离奇点越近的地方越显著。在奇点这个位置，这种潮汐力的强度、变化周期都达到了无限大，物体被完全撕裂了。 理论上，我们可以在一个质量十分大的黑洞中，十分舒服的来到距离奇点一个特定的范围，期间，从你落入黑洞到达到这个位置，可能需要数十年的时间，需要的时间与黑洞质量的平方成反比。 当然，即使是这样，物体在接近奇点，到达奇点周围的量子效应区域以后，还是会被奇点的量子效应摧毁。但是无论黑洞的质量如何，奇点的量子效应的强度是不会变的，因为奇点的“质量”是不变的。黑洞的质量在黑洞形成的同时，其实已经被黑洞的奇点销毁了，但是由于引力的非线形效应，引力场的能量又形成了引力场，从而使得引力场在黑洞内部不断叠加，因而使得黑洞被维持着没有爆裂。由于一切引力效应来自引力的非线形，而黑洞的质量的贡献仅仅是决定了这种非线形的程度，因而在奇点周围的量子效应的时空其实在任何质量的的黑洞内部都是一样的。 奇点的量子效应，使得物体在到达奇点前先被越来越大的量子效应完全撕成了小个体（大小由量子混沌潮汐力效应的强度决定），然后，一般在达到奇点以前就已经整个被奇点的混沌潮汐力摧毁，成为了基本粒子。这些基本粒子如夸克这样被强核力牢牢束缚着的基本粒子才可能熬到直接面临奇点的时候，但是即使是强力，在巨大引力效应和量子混沌效应的作用下，还是难逃被支解的命运，成为了纯粹的物质弦。随后可能通过史瓦西喉被抛到了外部空间，可能成为后来量子蒸发的材料，可能形成了子宇宙，可能在奇点周围不断游荡，可能成为了纯粹的能量，以潮汐力的形式继续存在，可能成为了纯能量以引力波的形式辐射掉，可能……总之，形成黑洞的恒星被所形成的黑洞摧毁了，不在对黑洞的引力提供任何贡献了。黑洞中引力的来源，在奇点形成以后，主要就是来自于引力的非线形结构。这个会在下文介绍相对论的时候介绍到引力的非线形，在介绍到量子理论的时候介绍到引力子的自作用。 当然，这个是量子引力——弯曲时空的量子场定律——所给的黑洞内部的描写，但不是最终描写。物体在达到黑洞的时候可能会得到转机，可能在黑洞内部真的存在史瓦西喉——虫洞；也许在你达到黑洞以前就会在一个转动黑洞周围被撕裂的空间吸走；也许你在达到奇点时，会进入一个子宇宙，在时空组中荡漾…