黑洞是当一个物体在极大压力下,被压缩到自己质量的史瓦西半径里,成为一个体积无限小、密度无限大、曲率无限大、温度无限高的奇点,并围绕着这个奇点,形成一个吞噬一切的球形空间的现象,或者说是宇宙中顶级掠食者。
所谓史瓦西半径,是物质成为黑洞的临界半径。不管原子还是亚原子级别的物质,还是巨大的恒星或星云,只要有质量,就都有自己的黑洞临界半径。德国物理学家卡尔.史瓦西发现了这个规律,提出了计算这个临界半径的公式,即:R=2MG/c^2,就是任何物体的黑洞临界半径,等于2倍引力常数与该物体质量的乘积,除以光速的平方。为了纪念卡尔·史瓦西,人们把这个黑洞临界半径称为史瓦西半径。
根据公式,我们可以计算出太阳的史瓦西半径约为2964米,所有天体(包括黑洞)的史瓦西半径都可用这个公式计算出来,并且与太阳质量的倍数成正比。比如三倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径约为8893米,太阳质量33万分之一的地球,史瓦西半径,约为8.9毫米。
要将半径为69万公里的太阳,压缩到不到3公里的空间内;或将近6400公里半径的地球,压缩到不到0.9毫米的空间内,才能成为黑洞。这需要怎样一种力量呢?在宇宙中,目前已知的只有三种事件具有这种压力,即:早期宇宙的高密度区域的直接坍缩压力;大质量恒星发生超新星爆发时核心的超强压力;中子星吸积超过奥本海默极限的坍缩压力。
研究认为,中子星表面压力可达到10^28atm(地球海平面大气压强的10^28倍,后同),当中子星通过吸积突破奥本海默极限,也就是约3个太阳质量时,其引力坍缩压力飙升到10^35atm,天体就被从中子简并态压缩到普朗克尺度以下,即10^35m以下,这就是黑洞。
而宇宙早期高密度区域坍缩的压力可达10^45atm,也就是10万亿亿亿亿亿个大气压强;大质量恒星超新星爆发时,核心的质量如果超过奥本海默极限,将发生急剧引力坍缩,此时的压力也将达到10^35atm以上。这两种情况,都是黑洞形成的条件。
普朗克尺度是人类认知的极限,对于这个尺度以下的事物,任何人类理论都失效。因此,人类无法认知黑洞内部的事物,只能猜测。
太阳核心压力只有3000亿atm,因此,像地球、太阳这样的天体,核心压力根本无法将物质压缩进自己质量的史瓦西半径,目前在宇宙中也没有发现如此小质量的黑洞。现已发现的黑洞,只有宇宙早期形成并成长出来的特大质量黑洞和恒星级黑洞,最小的恒星级黑洞质量约为太阳的3倍。前者被认为是宇宙初期直接坍缩形成的大质量黑洞种子,经过长期吸积留存下来的;后者则是太阳质量30倍以上的恒星,在演化末期超新星爆发的极大压力下,核心残留质量坍缩形成的。
黑洞之所以能够吞噬一切,连光也不例外,是由于其具有无限曲率。
不管这个黑洞质量多大,在其史瓦西半径内,一切都无法逃逸。史瓦西半径也叫事件视界,就是围绕着奇点形成的一个边界,这个边界就是可观测和不可观测的分界线,在这个边界以外人类可以观测到,一旦进入到这个边界以内,所有人类的理论都失效,无法观测和预知。
所谓曲率我们可以理解为引力。根据广义相对论的解释,引力的本质就是质量对时空的扭曲,质量越大体积越小,其对周边时空的扭曲就越剧烈。简单比喻,时空就像一张被绷紧的大网,普通天体对时空的扭曲,就像大网上丢下一个铅球,这张网会沉下一个深坑,质量越大,这个坑就越深;黑洞具有无限曲率,就像在这张网上形成了一个无底洞。
由此,在时空这张巨网上就像有着各种各样大大小小的陷阱,一般来说,大陷阱会吃掉小陷阱,就是质量相对较小的天体会被大天体的引力控制或捕获;而黑洞就会通吃一切,将靠近自己的任何天体撕碎吃掉。
小天体要逃离大天体的捕获,依靠的是速度,速度越快,就越不容易被大天体的引力陷阱抓住。光是光子运动的现象,光子虽然没有静质量,但却有动量,也受引力影响,因此,遥远的星光经过太阳时,才会被太阳的引力拉偏。
但除了黑洞,任何天体引力的逃逸速度都远远小于光速,经过这些天体的光,拐了个弯就还是逃掉了。但黑洞对时空的扭曲是无限的,在事件视界边缘的逃逸速度就是光速,这样,光只能在事件视界边缘之外能够侥幸逃脱,一旦进入事件视界内侧,这里的时空已经弯曲成一个无穷大而闭合的几何陷阱,光就再也无法套脱了,只能像任何物质一样,无限地朝着奇点坠落,永不回头。
这样,依靠光以及光的反射才能观测事物的人类,就永远也无法看到黑洞内部的事物了,只能凭着黑洞对事件视界之外时空和物质的影响,比如吸积盘、对周边天体的引力摄动等等,来观测黑洞了。
光速每秒约30万公里,是已知宇宙中运动最快的物质和能量。既然光进入黑洞事件视界都无法逃逸,宇宙中任何物质一旦靠近黑洞,都只能是黑洞的食物了。由此,黑洞是宇宙中顶级掠食者,没有之一。黑洞的这些特性已经不再是停留在理论和预测中,而是被众多的观测所证实。
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