1、科学闰土的回答:黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的现象,爱因斯坦利用广义相对论为黑洞进入科学领域铺平了道路,但这并不是他真正的本意。
1915 年,爱因斯坦发表了一系列关于广义相对论的演讲,声称空间和时间是一个连续体,任何有质量的物体都可以扭曲它。这种扭曲的结果就是引力,也就是说,引力是空间和时间扭曲的结果,它迫使一切,从光到行星,甚至从树上掉下来的苹果,在空间中沿着弯曲的路径运动。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
爱因斯坦在发展广义相对论时,用一种叫做张量微积分的数学形式花了大约十年的时间才逼近自己方程的解,这种数学形式甚至连最优秀的科学家都感到困惑。这一挑战并没有阻止爱因斯坦同时代的一位天文学家、理论物理学家卡尔·史瓦西。史瓦西本质上是一个现实主义者,但他非常擅长处理理论概念,当爱因斯坦在 1915 年发表关于广义相对论的论文时,史瓦西是第一批认识到这些概念重要性的人之一。
史瓦西是一位德国爱国者,因此第一次世界大战爆发后,他放弃了天文学研究,选择参军。他在比利时、法国和俄罗斯前线作战时读到了爱因斯坦的论文。尽管如此,史瓦西还是对广义相对论的本质着迷,并开始寻找其方程的精确答案。在因重病回家休养两个月后,史瓦西终于能够专心完成他的计算。1916 年去世前不久,史瓦西完成了他的工作并于当年晚些时候发表:《论爱因斯坦理论中的点质量引力场》,成为现代相对论研究的支柱之一,史瓦西提出了他对爱因斯坦未解方程的解。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
当爱因斯坦写下广义相对论时,他发现了一种描述引力的新方法,即引力是空间和时间扭曲的结果。物质和能量存在于背景时空中,它具有三个空间维度和一个时间维度。物体的质量会扭曲时空结构——物体质量越大,对时空的影响就越大。就像放在蹦床上的保龄球会拉伸织物,使其凹陷一样,行星和恒星也会扭曲时空——这种现象被称为“地圈效应”。因此,绕太阳运转的行星不会感受到太阳的引力;它只是沿着太阳质量造成的时空弯曲变形运行。行星永远不会落入太阳的原因在于行星运行的速度,简单来说就是“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何移动。”
史瓦西意识到,物体脱离表面的逃逸速度取决于其质量和半径。例如,地球的逃逸速度约为每秒 11.2 公里——这是火箭离开地球前必须达到的速度。然而,如果半径可以足够小以适应给定的质量,逃逸速度将增加,直到达到光速,即每秒 300,000 公里,此时物质和辐射都无法从物体表面逃逸。此外,原子或亚原子力无法将物体保持在自身重量之下。因此,物体会坍缩成一个无限小的点——原始物体从视野中消失,只留下重力来标记它的存在。结果,在空间和时间结构中产生了一个称为奇点的无底洞。史瓦西还解释说,奇点被一个球形引力边界包围,它将永远捕获进入的任何东西。这个边界被称为事件视界。 史瓦西还提出了一个公式,可以计算出事件视界的大小,也就是史瓦西半径给黑洞命名的天体物理学家是,时空无底洞的边缘。太阳的史瓦西半径是3公里,也就是它的事件视界距离它的表面有三公里,地球的史瓦西半径是9毫米。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
史瓦西的论文包含着激进的预测。时空中无底洞的想法困扰了许多科学家,包括爱因斯坦,他本人并不相信黑洞的存在,尽管他自己的理论预测了它们的存在。1939 年,爱因斯坦在《数学年鉴》上发表了一篇文章,试图证明这种时空中无底洞不可能存在。这是因为它公然违背了人类的经验——世界是有限的,一切都可以称重和测量。
1967年,美国物理学家约翰·惠勒改进了史瓦西原先关于“因引力而完全坍缩的物体”的说法,并将其命名为黑洞。科学家大约在五十年的时间里才意识到它在恒星演化中的重要性,直到最近才意识到它对宇宙发展的巨大影响。现代科学界的共识是,黑洞确实存在,是宇宙最重要的特征之一。天文学家已经能够通过不同的方式间接探测到它们,因此黑洞的存在是毫无疑问的。
2、
黑洞并不是爱因斯坦预言的,但在爱因斯坦的方程中,黑洞却有一席之地。德国科学家史瓦西利用爱因斯坦方程计算,得出一个解,如果大量物质聚集在空间中的某一点,就会形成强大的引力,其逃逸速度会超过光速,这就是黑洞。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
这就是“连光都逃脱不了黑洞控制”这句话的由来。爱因斯坦也曾为黑洞的存在而苦恼,黑洞不同于爱因斯坦预言的引力波,毕竟爱因斯坦方程注重对空间和时间的解释,而黑洞则不然。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
黑洞是爱因斯坦方程中一个特殊的存在,由于连光都无法从中逃脱,所以美国科学家惠勒把它称为黑洞。
/3.爱因斯坦是物理学家,但他的科学成就远不局限于物理学研究,他的成果已经上升到自然科学的水平,他创立的广义相对论是自然科学的最高成就,他发现的黑洞的存在不仅是广义相对论的成果,也是自然科学的最高成就。
其实宇宙本身就是一个黑洞,黑洞也是一种引力,引力可以把一切有形的物质固定在某个位置。黑洞里面还有一个奇点,这个奇点就是太阳。太阳是黑洞里面的另一种能量(热能),这种能量不但可以发光,还有很强的撞击力,或者说推动力,虽然这种撞击力很强,但是在浩瀚的黑洞里面却是很小的。这种推力和引力互相碰撞或者制约,产生质变,就形成了银河系。银河系主要由太阳、地球、月球三者组成,它们以地球为中心形成半径,在推力和引力的相互作用下,地球形成自转和生命。从这个意义上来说,地球不仅是银河系的中心,也是宇宙的中心。地球自转的时候,面向太阳,就会享受阳光,背对太阳的时候,就是黑洞。 至于为何地球能独享太阳光线和不同温度,主要原因是银河系是一个冷热能量相互制约的螺旋系统,这是爱因斯坦广义相对论的科学,所以也是圆周率至今无法计算的根本原因……
4.
第36章 黑洞不是毁灭者
本文以尼采的一句话作为开篇:“听不见音乐的人认为跳舞的人是疯子。”对于我们来说,黑洞是我们听不见的东西,所以不要以为谈论黑洞的人是疯子。
什么是黑洞?现代广义相对论中,黑洞是宇宙中存在的一种密度极高、体积极小的天体。
黑洞是由质量足够大的恒星在耗尽核聚变反应燃料后死亡并发生引力坍缩而形成的。黑洞的引力非常强大,甚至连光也无法逃脱。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
其实,黑洞并不“黑”,只是无法直接观测到而已。不过,我们可以间接地知道它们的存在和质量,并观察它们对其他事物的影响。
关于黑洞,一个不得不提的重要人物就是霍金。众所周知,他是一位尽管残疾却意志坚强的理论物理学家。他的主要贡献是黑洞理论,其中最重要的是奇点定理和霍金辐射。
而且普通人熟知的宇宙大爆炸理论也和他的贡献有关,宇宙大爆炸理论认为宇宙有一个起点,它有一个开端,目前科学家公布的数值是138.2亿年前。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
关于黑洞有很多不同的看法,其中大部分是基于想象和数学。
关于黑洞是否存在,甚至还存在争议。比如,多家知名网站就报道过这样的消息:“北卡罗来纳大学理论物理学教授梅西尼-霍顿通过数学计算描述了一个全新的场景。她和霍金都同意,霍金辐射是恒星因自身引力而坍缩时产生的。但梅西尼-霍顿认为,恒星在发射这种辐射后,质量会不断损失。正因为如此,当这些恒星坍缩时,不可能达到形成黑洞所需的质量密度。她认为,垂死恒星在经历最后的膨胀后,就会爆炸然后死亡给黑洞命名的天体物理学家是,奇点永远不会形成,黑洞视界也永远不会出现。根本不存在黑洞这种东西。”
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
其实霍金本人也在一篇论文中推翻了自己的黑洞理论,承认“宇宙中不存在黑洞”,“灰洞”是存在的。这一理论震惊了物理学界乃至全世界。【你可以搜一下这条新闻,有很多。】
其实大家不要误会,并不是说霍金完全否定了黑洞,只是霍金认为自己的事件视界理论存在缺陷,从而提出了“灰洞”理论,可以说“灰洞”是“黑洞”的升级版。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
但大家看到较多的新闻莫过于,有科学团队发现了黑洞!各种各样的新闻都有,所以大家可能一头雾水,不知道到底是怎么回事!
去年,我们看到了很多新闻报道来探测引力波,即两个黑洞合并引起的时空振动。
看过我《变化》这本书的朋友都知道,我一直反对宇宙大爆炸理论,在我之前的文章《时间的本质》中也说过,宇宙没有开始,也不会有结束,它是无穷无尽的。
所以我不认同宇宙起源于奇点、起源于黑洞、最终会被黑洞吞噬的说法。而且我认为黑洞并不是宇宙的毁灭者!
宇宙中天体种类繁多,所以我同意存在一个超大质量的小天体。也就是说,黑洞是存在的,但就像霍金修正他的理论一样,我们对黑洞的性质和结构其实知之甚少。
首先我们来说说黑洞为什么不是毁灭者?因为黑洞巨大的引力,会吞噬周围的物质。但别忘了,黑洞也会辐射能量和热量。所以这是一个“活”的天体。并不是像大家想象的那样,黑洞就像貔貅一样,只吃不吐!它一边吃一边吐,吃的多吐的少,总有爆炸的一天。所以这个形象的例子,大家应该很容易理解。
为什么我们能探测到引力波呢?因为两个黑洞合并碰撞的时候,会损失很多质量。这些质量去哪了?这些质量以能量的形式释放到时空中,能量以引力波的形式传播,可以被我们探测到。所以黑洞并不是宇宙的吞噬者。
如果还不明白,我们来看这个例子,海洋里的漩涡能把海洋吞掉吗?能把地球吞掉吗?地球存在了几十亿年,海洋里每天都有大大小小的漩涡,它不可能把海洋和地球都吞掉。
原因和我之前解释物体为什么不能达到光速是一样的,当物体接近光速的时候,它的质量就变得无限大,类似于黑洞,所以我说光速是一种束缚态。
爱因斯坦是如何预测黑洞存在的?
物体速度不能达到光速,就是因为无法克服这个束缚状态。因为是与整个时空相悖的!所以不可能。
这也是黑洞无法吞噬宇宙的原因,这也是我反对大爆炸理论的原因之一。
相反,我认为黑洞才是宇宙中最有活力的创造者,它吞噬物质,抹去原有的结构信息,又以其他形式释放物质,是一个不断“重构、改组”的角色。
在黑洞里或附近,时间不会停止存在;时间是存在的,而且有意义。我在上一章《时间的起源》中写道:“时间停止不代表时间不存在!”
所以,我们对于黑洞的认识还需要进一步加深,让子弹飞一会儿吧!
最后,我想引用尼采的另一句名言:“如果一个人知道他为什么活着,他就能忍受任何一种生活!”
摘自独立学者、科普作家、中国著名学者零度哲的科普书《变化》第35章关于物理和宇宙的文章。
部分内容摘录自互联网。