请问黑洞是怎麽一回事?

【黑洞简介】
广义相对论语言的一种特别致密的暗天体.大质量恒星在其演化末期发生探索,其物质特别致密,它有一个称为“视界”的封闭边界,黑洞中隐匿着巨大的引力场,因引力场特别强以至于包括光子在内的任何物质只能进去而无法逃脱.黑洞质量下降下限约3倍太阳质量,当然,这是最后的星核质量,而不是恒星在主序时期的质量.除了这种恒星级黑洞,也有其他来源的黑洞——所谓微型黑洞可能形成于宇宙早期,而所谓超大质量黑洞可能存在于宇宙星系中央.（参考：《宇宙新视野》）
黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见,这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故.我们无法通过光的反射来观察它,只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞.虽然这么说,但黑洞还是有它的边界,即”事件视界”．据猜测,黑洞是死亡恒星的剩余物,是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的.另外,黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到末期而形成的,质量小于钱德拉塞卡极限的恒星是无法形成黑洞的．（有关参考：《时间简史》——霍金•著）
■物理学观点的解释
黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走一样),不管用多大的速度都无法脱离.对于地球来说,以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球,但是对于黑洞来说,它的第二宇宙速度之大,竟然超越了光速,所以连光都跑不出来,于是射进去的光没有反射回来,我们的眼睛就看不到任何东西,
【黑洞的特殊】
与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了.例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想.那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间.我们都知道,光是沿直线传播的.这是一个最基本的常识.可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲.这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线.形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向.
在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的.而在黑洞周围,空间的这种变形非常大.这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球.所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术.
更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球.这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背!
“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一.许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出.不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的.有兴趣的朋友可以去参考专门的论著.
【黑洞的划分】
按组成来划分,黑洞可以分为两大类.一是暗能量黑洞,二是物理黑洞.
■暗能量黑洞
它主要由高速旋转的巨大的暗能量组成,它内部没有巨大的质量.巨大的暗能量以接近光速的速度旋转,其内部产生巨大的负压以吞噬物体,从而形成黑洞,详情请看“宇宙黑洞论”.暗能量黑洞是星系形成的基础,也是星团、星系团形成的基础.物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成,具有巨大的质量.当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时,我们称之为奇点黑洞.暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那般大.
■物理黑洞
它的比起暗能量黑洞来说体积非常小,它甚至可以缩小到一个奇点.
【黑洞的检测】
按照黑洞定义,它不能发出光,我们何以希望能检测到它呢?这有点像在煤库里找黑猫.庆幸的是,有一种办法.正如约翰•米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的,黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上.天文学家观测了许多系统,在这些系统中,两颗恒星由于相互之间的引力吸引而互相围绕着运动.他们还看到了,其中只有一颗可见的恒星绕着另一颗看不见的伴星运动的系统.人们当然不能立即得出结论说,这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗太暗以至于看不见的恒星而已.
还有其他不用黑洞来解释天鹅X－1的模型,但所有这些都相当牵强附会.黑洞看来是对这一观测的仅有的真正自然的解释.尽管如此,我和加州理工学院的基帕•索恩打赌说,天鹅X－1不包含一个黑洞!这对我而言是一个保险的形式.我对黑洞作了许多研究,如果发现黑洞不存在,则这一切都成为徒劳.但在这种情形下,我将得到赢得打赌的安慰,他要给我4年的杂志《私人眼睛》.如果黑洞确实存在,基帕•索思将得到1年的《阁楼》 .我们在1975年打赌时,大家80％断定,天鹅座是一黑洞.迄今,我可以讲大约95％是肯定的,但输赢最终尚未见分晓.
现在,在我们的星系中和邻近两个名叫麦哲伦星云的星系中,还有几个类似天鹅X－1的黑洞的证据.然而,几乎可以肯定,黑洞的数量比这多得太多了!在宇宙的漫长历史中,很多恒星应该已经烧尽了它们的核燃料并坍缩了.黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得相当多. 单就我们的星系中,大约总共有1千亿颗可见恒星.这样巨大数量的黑洞的额外引力就能解释为何目前我们星系具有如此的转动速率,单是可见恒星的质量是不足够的.我们还有某些证据说明,在我们星系的中心有大得多的黑洞,其质量大约是太阳的10万倍.星系中的恒星若十分靠近这个黑洞时,作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开,它们的遗骸以及其他恒星所抛出的气体将落到黑洞上去.正如同在天鹅X－1情形那样,气体将以螺旋形轨道向里运动并被加热, 虽然不如天鹅X－1那种程度会热到发出X射线,但是它可以用来说明星系中心观测到的非常紧致的射电和红外线源.
人们认为,在类星体的中心是类似的、但质量更大的黑洞,其质量大约为太阳的1亿倍. 落入此超重的黑洞的物质能提供仅有的足够强大的能源,用以解释这些物体释放出的巨大能量.当物质旋入黑洞,它将使黑洞往同一方向旋转,使黑洞产生一类似地球上的一个磁场.落入的物质会在黑洞附近产生能量非常高的粒子.该磁场是如此之强,以至于将这些粒子聚焦成沿着黑洞旋转轴,也即它的北极和南极方向往外喷射的射流.在许多星系和类星体中确实观察到这类射流.
人们还可以考虑存在质量比太阳小很多的黑洞的可能性.因为它们的质量比强德拉塞卡极限低,所以不能由引力坍缩产生：这样小质量的恒星,甚至在耗尽了自己的核燃料之后,还能支持自己对抗引力.只有当物质由非常巨大的压力压缩成极端紧密的状态时,这小质量的黑洞才得以形成.一个巨大的氢弹可提供这样的条件：物理学家约翰•惠勒曾经算过,如果将世界海洋里所有的重水制成一个氢弹,则它可以将中心的物质压缩到产生一个黑洞.（当然,那时没有一个人可能留下来去对它进行观察!）更现实的可能性是,在极早期的宇宙的高温和高压条件下会产生这样小质量的黑洞.因为一个比平均值更紧密的小区域,才能以这样的方式被压缩形成一个黑洞.所以当早期宇宙不是完全光滑的和均匀的情形,这才有可能.但是我们知道,早期宇宙必须存在一些无规性,否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的,而不能结块形成恒星和星系.
很清楚,导致形成恒星和星系的无规性是否导致形成相当数目的“太初”黑洞,这要依赖于早期宇宙的条件的细节.所以如果我们能够确定现在有多少太初黑洞,我们就能对宇宙的极早期阶段了解很多.质量大于10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞,可由它对其他可见物质或宇宙膨胀的影响被探测到.然而,正如我们需要在下一章看到的,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.
【黑洞的产生】
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,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球.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,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.任何靠近它的物体都会被它吸进去,黑洞就变得像真空吸尘器一样．

亦可以简单理通常恒星的最初只含氢元素,恒星内部的氢原子时刻相互碰撞,发生裂变、聚变.由于恒星质量很大,裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定.由于裂变与聚变,氢原子内部结构最终发生改变,破裂并组成新的元素——氦元素.接着,氦原子也参与裂变与聚变,改变结构,生成锂元素.如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成.直至铁元素生成,该恒星便会坍塌.这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变,而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞.
跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的.
当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢）,由中心产生的能量已经不多了.这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量.所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡.
质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星.而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量.如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩.
这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大.而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径）,正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了.
根据科学家计算,一个物体要有每秒中七点九公里的速度,就可以不被地球的引力拉回到地面,而在空中饶着地球转圈子了.这个速度,叫第一宇宙速度.如果要想完全摆脱地球引力的束缚,到别的行星上去,至少要有11.2km/s的速度,这个速度,叫第二宇宙速度.也可以叫逃脱速度.这个结果是按照地球的质量和半径的大小算出来的.就是说,一个物体要从地面上逃脱出去,起码要有这么大的速度.可是对于别的天体来说,从它们的表面上逃脱出去所需要的速度就不一定也是这么大了.一个天体的质量越是大,半径越是小,要摆脱它的引力就越困难,从它上面逃脱所需要的速度也就越大.
按照这个道理,我们就可以这样来想:可能有这么一种天体,它的质量很大,而半径又很小,使得从它上面逃脱的速度达到了光的速度那么大.也就是说,这个天体的引力强极了,连每秒钟三十万公里的光都被它的引力拉住,跑不出来了.既然这个天体的光跑不出来,我们然谈就看不见它,所以它就是黑的了.光是宇宙中跑得最快的,任何物质运动的速度都不可能超过光速.既然光不能从这种天体上跑出来,当然任何别的物质也就休想跑出来.一切东西只要被吸了进去,就不能再出来,就象掉进了无底洞,这样一种天体,人们就把它叫做黑洞.
我们知道,太阳现在的半径是七十万公里.假如它变成一个黑洞,半径就的大大缩小.缩到多少?只能有三公里.地球就更可怜了,它现在半径是六千多公里.假如变成黑洞,半径就的缩小到只有几毫米.那里会有这么大的压缩机,能把太阳 地球缩小的这么!这简直象里的神话故事,黑洞这东西实在太离奇古怪了.但是,上面说的这些可不是凭空想象出来的,而是根据严格的科学理论的出来的.原来,黑洞也是由晚年的恒星变成的,象质量比较小的恒星,到了晚年,会变成白矮星；质量比较大的会形成中子星.现在我们再加一句,质量更大的恒星,到了晚年,最后就会变成黑洞.所以,总结起来说,白矮星 中子星和黑洞,就是晚年恒星的三种变化结果.
现在,白矮星已经找到了,中子星也找到了,黑洞找到没有?也应该找到的.主要因为黑洞是黑的,要找到它们实在是很困难.特别是那些单个的黑洞,我们现在简直毫无办法.有一种情况下的黑洞比较有希望找到,那就是双星里的黑洞.
双星就是两颗互相饶着转的恒星.虽然我们看不见黑洞,但却能从那颗看的见的恒星的运动路线分析出来.这是什么道理呢?因为,双星中的每一个星都是沿着椭圆形路线运动的,而单颗的恒星不是这样运动.如果我们看到天空中有颗恒星在沿椭圆形路线运动,却看不到它的'同伴',那就值得仔细研究了.我们可以把那颗星走的椭圆的大小,走完一圈用的时间,都测量出来.有了这些,就可以算出来那个看不见的'同伴'的质量有多大.如果算出来质量很大,超过中子星能有的质量,那就可以进一步证明它是个黑洞了.
在天鹅星座,有一对双星,名叫天鹅座X-1.这对双星中,一颗是看的见的亮星,另一颗却看不见.根据那可亮星的运动路线.可以算出来它的'同伴'的质量很大,至少有太阳质量的五倍.这么大的质量是任何中子星都不可能有的.当然,除这些以外还有别的证据.所以,基本上可以肯定,天鹅座X-1中那个看不见的天体就是一个黑洞.这是人类找到的第一个黑洞.
另外,还发现有几对双星的特征也跟天鹅座X-1很相似,它们里面也有可能有黑洞.科学家正对它们作进一步的研究. “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然.所谓“黑洞”,就是这样一种天体：它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来.
【黑洞与虫洞】
据最新的研究声称,科学家认为黑洞可能是通往其他宇宙的虫洞.如果这一理论是正确的,将会有助于解释例如黑洞信息悖论等量子难题,不过批评家指出这也会产生新的问题,例如虫洞是怎么形成的等等.
黑洞是一种拥有强大引力的物体,任何物体——即便是光——在进入其事件边界之后都不能逃逸出来.根据爱因斯坦的广义相对论,黑洞可以由任何物质形成,只要能够坍缩到足够小的空间内.
尽管黑洞不能被直接看到,天文学家还是通过观察周围物质的环绕情况,推断出一些黑洞的位置.
不过来自巴黎Bures-sur-Yvette地区法国高等科学研究所(Institut des Hautes Etudes Scientifiques)的物理学家Thibault Damour和来自德国Bremen国际大学的Sergey Solodukhin提出一个新的观点,即这些所谓的黑洞其实就是虫洞.
虫洞是连接时空架构中两个不同地方的弯曲通道.如果你把宇宙想象为一个二维的纸张,虫洞就是连接连接这张纸片和另一张纸片的小通道.实际上这一理论认为,虫洞链向的是一个拥有自己星星、星系等的另一个宇宙.
引起空间扭曲的小球在我们三维世界的例子就是黑洞.黑洞事实上是存在于四维空间的一种现象,或者说,黑洞是连接三维世界与四维空间的通道（当然在下绝不是说“如果谁要去四维空间,就请往黑洞走”,那样只会“死无全尸”而已^O^）.我们有可能通过对黑洞的深入研究,找到克服四维空间的办法,那样的话,瓦普跳跃飞行就不再是梦想了.
现在科学家已经证实,黑洞的存在确实会令周围的空间极度扭曲.根据广义相对论,光线在正常的空间里以直线传播,但当空间扭曲时,光线会随着空间扭曲的方向而扭曲.如果能给一束射进黑洞的光线拍照的话,我们就会发现,光线呈螺旋形指向黑洞中心,因为黑洞的巨大质量已使周围的空间扭曲得不成形了.