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為什麽光不能從黑洞中逃逸?

黑洞裏隱藏著壹個巨大的引力場,這個引力場是如此之大,以至於任何東西,哪怕是光,都逃不出黑洞的手掌心。黑洞不會讓其邊界內的任何東西被外界看到,這也是這類物體被稱為“黑洞”的原因。我們無法通過光的反射來觀察它,只能通過周圍受其影響的物體來間接了解黑洞。據推測,黑洞是死亡恒星或爆炸氣團的殘余,是在壹顆特殊的大質量超巨星坍縮時產生的。

因為黑洞是看不見的,所以壹直有人質疑黑洞是否真的存在。如果他們真的存在,他們在哪裏?

黑洞的過程類似於中子星。恒星的核心在自身重量的作用下迅速收縮,劇烈爆炸。當核心的所有物質都變成中子時,收縮過程立即停止,被壓縮成壹個致密的星球。但在黑洞的情況下,由於星核的質量如此之大,以至於收縮過程無休止地進行,中子本身在擠壓引力本身的吸引下被磨成粉末,剩下的就是密度難以想象的物質。任何靠近它的東西都會被它吸進去,黑洞會變得像吸塵器壹樣。

為了理解黑洞的動力學以及它們如何阻止內部的壹切逃離邊界,我們需要討論廣義相對論。廣義相對論是愛因斯坦創立的引力理論,適用於行星、恒星和黑洞。愛因斯坦在1916提出的這個理論,說明了空間和時間是如何被大質量物體的存在所扭曲的。簡而言之,廣義相對論說物質會彎曲空間,空間的彎曲反過來會影響穿過空間的物體的運動。

讓我們看看愛因斯坦的模型是如何工作的。首先考慮時間(空間的三維是長、寬、高)是現實世界中的第四維(雖然很難畫出通常三個方向之外的另壹個方向,但可以盡量想象)。其次,考慮時空是體操表演用的壹張巨大繃緊的彈簧床的床面。

愛因斯坦的理論認為質量會彎曲時間和空間。我們不妨在彈簧床的床面上放壹塊大石頭來說明這個場景:石頭的重量使繃緊的床面下沈了壹點。雖然彈簧床表面基本是平的,但其中心還是略凹。如果在彈簧床的中央多放些石頭,會有更大的效果,使床面下沈更多。事實上,石頭越多,彈簧床面彎曲越多。

同理,宇宙中的大質量物體會扭曲宇宙的結構。就像10石頭比1石頭更能彎曲彈簧床壹樣,質量比太陽大得多的天體比質量等於或小於壹個太陽的天體更能彎曲空間。

如果壹個網球在繃緊的彈簧床上滾動,它將沿直線運動。相反,如果它通過壹個凹的地方,它的路徑是弧形的。同理,天體在穿越時空的平坦區時會繼續直線運動,而穿越彎曲區的天體會以彎曲的軌跡運動。

現在我們來看看黑洞對周圍時空區域的影響。想象在彈簧床上放壹塊非常重的石頭來代表壹個非常密集的黑洞。石頭自然會對床面產生很大的影響,不僅會使其表面彎曲下沈,還會導致床面破碎。類似的情況也可以發生在宇宙中。如果宇宙中存在黑洞,那裏的宇宙結構就會被撕裂。這種時空結構的破裂被稱為奇點或時空奇點。

現在讓我們來看看為什麽沒有東西能逃出黑洞。就像網球滾過彈簧床會掉進大石頭形成的深洞壹樣,穿過黑洞的物體會被它的引力陷阱抓住。而且,拯救不吉利的物體需要無限的精力。

正如我們已經說過的,沒有任何東西能進入黑洞並從中逃脫。但科學家認為黑洞會慢慢釋放能量。英國著名物理學家霍金在1974中證明了黑洞具有非零的溫度,並且溫度高於其周圍環境。根據物理學原理,所有溫度高於周圍環境的物體都會釋放熱量,黑洞也不例外。壹個黑洞會發出幾百萬萬億年的能量,黑洞釋放的能量叫做霍金輻射。當黑洞消散了所有的能量,它就會消失。

時空之間的黑洞讓時間變慢,讓空間變得有彈性,同時吞噬壹切穿過它的東西。1969年,美國物理學家約翰·阿蒂·惠勒將這個永不滿足的空間命名為“黑洞”。

我們都知道黑洞是看不見的,因為它不能反射光。在我們的心目中,黑洞可能是遙遠而黑暗的。但英國著名物理學家霍金認為,黑洞並不像大多數人想象的那麽黑。通過科學家的觀測,黑洞周圍有輻射,而且很可能來自黑洞,也就是說黑洞可能沒有想象中的那麽黑。

霍金指出,黑洞的放射性物質來源是壹種固體粒子,在太空中成對產生,不遵循通常的物理規律。而且,這些粒子碰撞後,有的會消失在茫茫太空中。壹般來說,在這些粒子消失之前,我們可能沒有機會看到它們。

霍金還指出,黑洞產生時,真實粒子會相應地成對出現。其中壹個真實粒子會被吸進黑洞,另壹個會逃逸,壹堆逃逸的真實粒子看起來就像光子。對於觀察者來說,看到逃逸的真實粒子就像看到黑洞發出的光線。

所以引用霍金的壹句話“壹個黑洞並沒有想象中的那麽黑”,它其實發射出了大量的光子。

根據愛因斯坦的能量和質量守恒定律。當壹個物體失去能量時,它也失去了質量。黑洞也遵守能量和質量守恒定律。當黑洞失去能量時,它就不存在了。霍金預言,黑洞消失的那壹刻,會產生劇烈的爆炸,釋放出相當於百萬顆氫彈的能量。

但是不要滿懷期待的擡頭,以為會看到煙火表演。其實黑洞爆炸後,釋放的能量非常大,很可能對身體有害。而且能量釋放時間也很長,有的會超過10億年到200億年,比我們宇宙的歷史還要長,能量完全消散需要幾萬億年。

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