从高中知识出发对黑洞产生的疑问。

黑洞知识~

宇宙“黑洞”的真面目 -天文知识

天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，这种奇异天文现象的主要特征是：1、这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；2、它有很大的能量，可以发出极强的各类射线辐射；3、由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度很大的暗天体，美国物理学家惠勒给它取了一个有趣的名字“黑洞”。

在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？ 原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。

设想如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射）。当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象。因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证实它的存在。科学家通过哈勃望远镜上的高速光度计在1992年对天鹅座X-1的一批观察数据进行分析时，发现了两个迅速衰减并很快消失的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时释放辐射的特征正相符合。至于光线在“黑洞”附近会发生弯曲的现象，是因为光波本身就是一种频率很高的电磁波，光现象本质就是一种电磁现象，所以，光线在“黑洞”附近由于受其磁场引力作用而发生弯曲现象是很自然的。

宇宙中一切天体都不是孤立存在的、所有物质之间都有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的产生也不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要的环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是不可分割的整体，只要天体存在，它周围就一定有磁场存在。各类物质结构由于运动方向的不同，运动速度的差异，会产生无数大小不一、强弱不同的磁场旋涡，这种磁场旋涡就是神秘的“黑洞”。大的物质结构产生大的磁场旋涡，如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；小的物质结构产生小的磁场旋涡，如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。

自然界决定物质能量大小有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。由于磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”虽然构成物质密度很小，但因为它有极快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生很大的能量和极强的引力。宇宙中一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，受“黑洞”吸引力作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向其中心高速旋进，会形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”虽然不能直观地看到，但可以通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外有报道，哈勃望远镜已拍摄到“黑洞”周围边缘呈翘曲状的尘埃圆盘，这就更形象的证实了“黑洞”的旋涡性质和真实形态以及旋涡多呈漏斗状的特点。

其实宇宙中这些各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼可以观察到的许多自然涡流现象一样。如地球上大气运动产生的热带气旋--“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量非常大，而在空气涡流中心区域--“台风眼”，由于空气稀薄，压力相对较小，对周围产生很大吸引力，因此气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上可以清晰地看到“台风”的圆形旋涡状云团。还有江河湖海中的水涡流也是圆形旋涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”就像“台风”、“水流漩涡”这些可以直观的涡流现象，是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。“黑洞”中心是外界物质不易进入、有形物质极少的区域，所以，在“黑洞”的中心都是空白区域。因为它对周围物质的吸引力在各方向基本是均匀的，一般“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形旋涡状的。由于“黑洞”物质分布密度的不同，周围还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。

在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度不断增加，磁场旋涡范围会相应增大，能量和引力明显加强，又会吸引更多的物质，如此像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐步增强，到了一定程度便发展成为可以通过光学望远镜直接观察到的有形天体--“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多呈环状（环状星云），它的构成物质相对仍很稀薄，所以，形状非常模糊。随着“星云”体积不断膨胀，便开始了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。

宇宙中所有天体的存在形式和演变过程都是由自然规律所决定的，“黑洞”也不例外。一但我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在联系，包括“黑洞”在内的各种奇异天象便不难解释了。

在恒星燃烧殆尽逐渐冷却以后，它会在自身引力作用下发生收缩，形成某种新的高密度的天体

像太阳这个等级的恒星，由于质量不太大，收缩到一定程度就会停止，形成白矮星。比太阳更大一点的恒星，会继续收缩，直到所有核外电子都被压进原子核，与质子结合，全部变成中子。这时恒星会变成一颗全部由中子组成的天体，因为被称为中子星。

如果恒星的质量再大些，由于引力太大了，变成中子星以后仍然不能停止收缩，那么它就会一直坍缩为黑洞，这就意味着靠近它的任何东西都再也不能逃离它，包括光

为什么会出现黑洞呢。因为我们知道，任何天体附近的物体，要逃离这个物体，条件必须是它的速度能够对抗天体给它的引力，这个最小的速度叫逃逸速度。逃逸速度与物体受到的引力有关。一般而言，一个天体的质量是一定的，在距离它的引力中心——也就是这个星球的中心越近的地方，物体所受到的引力最大，所需的逃逸速度也就越大。如果一个天体质量足够大，而它的半径又足够小，那么就可能导致它表面的逃逸速度达到甚至超过光速。我们知道光是宇宙中走得越快的东西，如果逃离一个天体所需的逃逸速度大于光速，那么就意味着宇宙中没有任何物体能够从这个天体附近逃离。

而黑洞就是这样的一个天体。黑洞的表面称为“视界”，但这个“视界”并不是形成黑洞的那个天体真正的表面，那个天体的表面早就已经越过了“视界”，收缩到“视界”里面去了。实际上，这个“视界”就是物体逃离黑洞所需的逃逸速度等于光速的那个点，也就是说，一旦进入“视界”，就连光子也逃不出来的。正因为光子逃不出来所以黑洞看上去是完全“黑暗”的，这正是它被称为“黑洞”的原因，而“视界”的名字也来源于此——它是看得见的世界的界限，物体一旦越过它，就再不会被看见了

史瓦西半径（Schwarzschild radius）是任何具重力的质量之临界半径，在天文学上，当一个天体的半径低于史瓦西半径时，便会成为黑洞。而黑洞表面至史瓦西半径的范围，称为“事件视界”，所有进入事件视界的物质，包括光线，均无法逃脱黑洞的引力。

史瓦西半径的公式，其实是从物件逃逸速度的公式衍生而来。它将物件的逃逸速度设为光速，配合万有引力常数及天体质量，便能得出其史瓦西半径。

r=2Gm/c²

当中，

r 代表史瓦西半径；

G 代表万有引力常数，即 6.67 × 10-11 N m2 / kg2；

m 代表天体质量；

c² 代表光速的平方值，即 (299,792,458 m/s)² = 8.98755 × 1016 m²/s²。

把常数的数值计算，这条公式也可写成

r=m × 1.48 × 10^(-27)

r 的单位是“米”，而 m 的单位则是“千克”。

要注意的是，虽然以上公式能计算出准确结果，但史瓦西半径还需透过广义相对论方能导出。事实上，牛顿力学及广义相对论能导出相同结果，纯粹是巧合而已。

史瓦兹旭尔得解是卡尔·史瓦兹旭尔得于1915年针对广义相对论方程关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。

根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞是可以预测的。他们发生于史瓦兹度量。这是由卡尔·史瓦兹旭尔得于1915年发现的爱因斯坦方程的最简单解。

根据史瓦兹解，如果一个重力天体的半径小于史瓦西半径，天体将会发生坍塌。在这个半径以下的天体，其间的时空弯曲得如此厉害，以至于其发射的所有射线，无论是来自什么方向的，都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出任何物质都不可能超越光速，在史瓦西半径以下的天体的任何物质——包括重力天体的组成物质——都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成重力奇点（gravitational singularity）。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞，所以一个典型的黑洞确实是“黑”的

黑洞目前对所有人都无法解释

目前物理学界的解释就是认为，黑洞可能是宇宙空间中的一种能量畸变。

黑洞他到底是否是一个物体现在还无法得知，我们也不知道他是什么样子，只能通过扫描一个区域，该区域中某一位置对外界的电磁波产生了绕射以及发出一些射线而知道这里有这么一个东西。

按照目前认为，黑洞是一个拥有巨大质量且没有体积的物体，即认为黑洞是一个点，而不是面和体。

所以既然他是一个点，他就可以得到无限的质量，比如说物理物质接近光速时质量会变得无穷大一样的意思。

反正无法解释。也还没有解释。至少现在是这样。

先说黑洞形成：
天体受到自身强大引力的作用而发生坍塌，体积减小意味着密度的增大，当大过 强德拉塞卡极限（一个大约为太阳质量1.5倍的冷恒星不能支持自身以抵抗自己的引力，这个质量称为强德拉塞卡极限） 时就成为一个黑洞，此时体积已坍塌为一个裸奇点，密度也无限大。

注：黑洞的质量也不是不变的，它的强大引力会把周围围绕它旋转的天体撕扯开，半径可能达到几百光年，并呈螺旋状被吸入黑洞，黑洞的密度会愈来愈大，但质量和能量也会减少，以X射线的形式释放出去。

（天鹅X-1和M87被公认为黑洞)

目前认为~~黑洞是恒星的最终形式之一~~恒星的质量很大~~所以引力很强~也就是万有引力跟质量成正比~但是稳定期的恒星的热核反应使其向外辐射能量而产生辐射压来与引力抗衡~但是当用于核聚变的物质消耗完的时候，就再无与自身引力抗衡的作用~恒星就无可避免的向核心坍塌~~包括电子也在简并压的作用下向原子核坍塌~最后就成了体积无限小而相对的质量无限大的东西~

不矛盾，通常研究黑洞也只有考虑质量和自转速度两个量。密度大表示由质心到表面半径减小，所以表面引力加大，脱离速度加大。

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