黑洞的研究过程以及意义.doc

黑洞的研究过程以及意义1：引言长期以来，黑洞以它的神秘和怪异一直吸引和困扰着人们，黑洞究竟是什么呢？它是一个洞吗？它黑吗？它冷吗？它内部到底有什么?观测到的大量间接征兆证实，黑洞在宇宙中普遍存在，但是我们无论如何也不能直接看到它。天文学家推测它可能来自于大恒星塌缩后质量、密度变得很大而引力极强的核心；还有一些观测证据表明，在许多星系的中心更是存在着超级大黑洞。人类虽然已拥有了先进的天文观测设备，如具有灵敏感光器的大口径光学望远镜，检测细微电磁波信号的大型射电天文望远镜，在外层空间漫游的哈勃太空望远镜等，但是人们却不能看到黑洞。2：黑洞的研究过程以及意义2.1黑洞的发现 黑洞刚开始是英国一个地质学家提出，由爱因斯坦预言，再由霍金用理论进行研究。 1965年，人们在天鹅座探测到一个特别强的X射线源，将它命名为天鹅X-1。据推测，它大约距离我们1万光年。1970年，世界第一颗X射线观测卫星“乌呼鲁”（斯瓦希里语“自由”的意思）升空，它发现天鹅X-1与其它X射线源不同，它忽隐忽现，频率快达每秒1000次，而且射线强度变化没有规律。这种不规律的变化，正是物理学家预料物质从吸积盘进入黑洞时将发生的状况。 人们立即对天鹅X-1进行了仔细的搜寻，在它邻近的地方发现了一颗质量约为太阳30倍的炽热蓝色超巨星。经证实，这颗蓝星与天鹅X-1互相绕着对方旋转。从种种迹象来看，天鹅X-1体积非常小，密度远远超过中子星，似乎就是我们预想中的黑洞。天文学界并没有普遍接受这一假设，但大多数人相信，天鹅X-1将是第一个被证认的黑洞。此后，天蝎V861、仙后A等星体也被猜想是黑洞，但是并没有得到确认。 1999年美国宇航局发射“钱德拉”X射线望远镜，探测到一颗超新星周围物质喷出的大量X射线，科学家据此认为，这颗超新星中央存在黑洞。该望远撞拍摄的另一张照片，显示了一个遥远类星体喷射出的X射线流达20万光年之远，其喷射出的能量可能相当于10万亿个太阳释放能量的总和。科学家认为，这样巨大的能量是从类星体中央的一个超大规模黑洞附近发出的。 黑洞似乎最可能在恒星最密集和大块物质可能聚集在一起的地方形成。由于球状星团、星系核的中心区域具有这种特点，天文学家越来越相信，这种星团或星系的中心存在黑洞。有科学家认定，我们的银河系中心就有一个巨大的黑洞，其质量相当于1亿颗恒星，占银河系总质量的1/1000，直径为太阳的500倍。如果恒星接近它的速度足够快，也许会被它一口整个吞掉。2.2黑洞的形成那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。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。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。2.3科学家对黑洞的认识从大爆炸以来，宇宙中大约有1/4的射线是物质掉进超大质量黑洞时产生的。几十年以来，科学家们一直试图弄清楚黑洞宇宙中最黑暗的物质与如此数量众多的射线之间有何关系。新的Chandra数据清楚地揭示了推动这一过程的原因：磁场。Chandra观测到银河系中存在一个被称为GRO J1655-40的系统，这里有一个黑洞正在从一颗伴星体那里吸收物质。“应该说J1655正好最我们的后院里，所以我们把它作为一个研究黑洞运行的模型，” 密西根大学的Jon M. Miller说。Miller关于这一现象的文章已刊登在6月22日出版的一期自然上了。如果仅仅只有引力的话，是不足以使黑洞周围的吸积盘气体失去能量并以我们观测到的速度向黑洞坠落的。所以，这些气体在坠入之前应该已经失去了轨道角动量；否则，物质仍然可以环绕黑洞飞行好长一段时间。长期以来，科学家们认为磁场星云会在气体形成的吸积盘里产生一种摩擦力，从而形成一种将角动量推向外侧的风，使得这些气体向黑洞坠落。利用Chandra，Miller发现了磁力在黑洞吸收物质的过程中所起的作用。X射线光谱不同能量级的X射线光谱，显示J1655的吸积盘中风的速度和密度与电脑模拟出来的磁力作用产生的风一致。“1973年，理论家提出，气体坠入黑洞时产生的磁场会生成大量的光线。”此文另一位作者、麻省哈佛大学-史密森天体物理中心的John Raymond说，“30年之后的今天，我们最终找到了确定证据。”进一步了解黑洞聚集物质的过程，还有助于人们认识黑洞其他方面的性质。“正如一个医生想要了解某种疾病产生的原因、而不仅仅是它的症状一样，天文学家们也希望能够知道是什么原因促成了他们所看到的现象。”“通过了解为什么物质向黑洞坠落时会释放能量，我们也可能推出物质飞向其他星体时的情景。”除了对黑洞周围的吸积盘产生作用外，磁场还可能对幼年的恒星和被称为中子星的高密度恒星周围的吸积盘具有重要影响。据每日电讯报报道，7月21日，在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬霍金教授将宣布他对宇宙黑洞的最新研究结果：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候释放出来。宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞，不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等，一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量，而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。自认“黑洞悖论”错误1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。/P 这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。新成果令人振奋尽管这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表，已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆佩里博士表示，“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可，我看还需要由大家说了算。”但他认为，霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。另一位物理学家科特卡特勒在接受新科学家杂志的访问时说：“霍金发出了一个信息，他似乎在说我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处，我想就此发表一些新的看法。但是我们作为该信息的接受者，预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重，根据他的名誉，我只能暂且先接受这种说法。”科学家们都期待着明天的学术会议上，霍金教授对他全新成果的完整阐释。新理论有待证实对于霍金教授抛出的黑洞新论，本报记者采访了我国黑洞研究专家，北京师范大学的赵峥教授。赵教授说，目前霍金关于黑洞的最新研究成果只有媒体消息，学术论文还没有发表，所以这一新的理论还有待证实。专家指出，上世纪70年代，霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一，但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑，科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失，在量子物理的角度上是无法解释的。为此，30年来学术界一直存在着争论，此次霍金提出的新观点黑洞在某一时间，将会把它吞掉的信息释放出来，从表面上看弥补了他以前理论的缺陷，但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释，物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质，因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。赵峥教授强调，目前由于霍金的学术论文还没有发表，一切都难有定论。对于1974年提出的“霍金辐射”理论，在学术界得到了广泛的肯定，这一理论为黑洞研究做出了杰出的贡献，霍金教授也因此受到学术界的推崇，但他的新理论是否正确还要经过多方的验证。对于黑洞的研究也如是，从最初提出黑洞概念至今已经有200多年的历史，上世纪60年代开始的黑洞研究热潮也已经持续了近半个世纪，但时至今日黑洞仍然还是一个谜，人们相信黑洞的存在，期待着有一天能够彻底破解黑洞之谜。2.4黑洞的物理性质 研究黑洞的性质，有助于我们同时理解大爆炸奇点，因为他们之间实在是太相似了。广义相对论预言，运动的有质量的物体（光子等轻子是没有静止质量的）会导致引力波的辐射，它是以光速传播的空间时间的涟漪。如同物体辐射出的光子带走了它们的能量一样，物体辐射出的引力波同样将带走它们的能量，因此物质系统将最终会趋向于一种稳定的状态。这好象往池塘里扔一块木头，使水面产生涟漪。涟漪将木块的能量带走，使木块最终平静下来。地球围绕太阳公转而产生的引力波使地球能量损失，其轨道逐渐改变并最终落到太阳上，只是这种能量损失极小，要过一千亿亿亿年才会相撞。 当恒星坍缩成黑洞时，运动会快得多，这时能量的损失也快得多，所以坍缩过程将很快达到不变的状态。这种不变的状态是如何的呢？由于坍缩之前的恒星的状态是多种多样的，包括它的物质形态、质量、旋转速度及恒星内部的复杂运动等等，似乎对坍缩的最终状态很难作出预言。加拿大科学家外奈伊斯雷尔在1967年的研究非常出人意料。他指出：“根据广义相对论，不旋转的黑洞必须是非常简单的、完美的球体，其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个不旋转的等质量黑洞必定是完全相同的。”最初，包括伊斯雷尔在内的许多科学家认为，既然黑洞只能是完美的球形，那么黑洞应该由具有完美球形的物体坍缩而成。然而任何恒星都不是完美的球形，所以黑洞只能坍缩为一个点。而罗杰彭罗斯等人提出了另外一种解释：恒星坍缩的快速运动释放出来的引力波使恒星越来越接近球形，当它最终达到静态时，就成为精确的球体。因此，“任何不旋转的恒星，无论其组成物质、质量和内部结果如何复杂，在其引力坍缩后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。”这就是著名的“黑洞无毛”定理。 这个观点得到了进一步的计算支持，并很快为大家所接受。与此同时，新西兰科学家罗伊克尔计算出广义相对论中描述旋转黑洞的一族解。这些解表明，黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转速度，旋转速度越快，黑洞的赤道部分就越鼓（这和地球、太阳等星体是一样的）。如果旋转为零，黑洞就是完美的球体。伊斯雷尔的发现其实就是克尔解中的特解。“黑洞没有毛”意味着，物体复杂的和大量的特征信息在形成黑洞的过程中损失了。我们将在下章中理解它的意义。黑洞在科学史上是一个特殊的情形，它作为数学模型已经发展到极为详尽的地步，但至今仍没有100%肯定的观测证据来证明它。1963年发现了一个暗淡的类星体红移。这个红移是如此之大，如果看作是引力红移的话，那么它的质量应该很大，而且离我们很近，以致于会干扰太阳系的行星运动。所以它只能是宇宙膨胀引起的红移。红移很大则说明它离我们很远。如果在这么远的距离还能被我们观察到，那么它一定非常亮，也就是说它必须辐射出大量的能量。这么大的能量不可能仅仅是一个恒星发出的，它很可能是一个星系整个中心区域的引力坍缩。人们发现了很多这样的类星体，但它们都离我们非常远，由于很难观测而不能为黑洞提供结论性的证据。1967年中子星的发现为证明黑洞的存在带来了鼓舞。因为中子星的半径约10英里，只是黑洞坍缩临界半径的几倍而已。恒星能坍缩到更小尺度应该是理所当然的。由于光线无法从黑洞中逃逸，因此观测黑洞有些象在漆黑的夜里寻找黑猫。但值得庆幸的是，黑洞的引力效应仍将作用到其临近的星体上。 人们观测到一些伴星系统是由一颗可见恒星和一颗不可见恒星互相围绕旋转组成。这类系统中的有一些是强X射线源。对这种现象最好的解释是，物质从可见星的表面被吹起来并落向不可见的伴星，这些物质在强大的引力作用下发展成螺旋轨道（如同水从浴缸中流出的情形），同时变得非常热而发射出X射线。这颗不可见伴星必须小到象白矮星、中子星或黑洞那样，才能引发上述机制。“天鹅X-1”就是这样一个伴星系统。通过对其可见星轨道的研究，科学家们推算出了不可见星的最小质量-大约是太阳的6倍。按照强德拉塞卡的结果来看，它只能是一个黑洞。宇宙漫长的岁月中，许多恒星应该已经耗尽了燃料并且坍缩了。黑洞的数目甚至比可见星还要多得多。以我们的银河系为例，巨大数量的黑洞的额外引力就可以解释为何银河系会有如此的转动速率，仅考虑可见星的质量是不足够的。某些证据说明，银河系中心有非常巨大的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。恒星若是太靠近这个黑洞，它近端和远端的引力差就会将它撕开，并被黑洞吸引而落到上面去。虽然落到黑洞上的物质没有象“天鹅X-1”那样热到发出X射线，但可以用来说明在银河系中心观测到的非常紧致的射电源和红外线源。在类星体的中心被认为是质量更大的黑洞，大约是太阳质量的1亿倍。当物质旋转落入黑洞时，它将使黑洞向同一方向旋转，使黑洞产生强大的类似地球的磁场。落入黑洞的物质会产生高能的粒子，它们在黑洞强磁场的作用下聚焦，形成沿黑洞北极和南极方向向外喷射的粒子流。在许多星系和类星体中我们观测到了这种射流。也可能存在着比太阳质量小得多的黑洞。它们由于低于强德拉塞卡极限而不可能由引力坍缩形成，只能由巨大的压力压缩而成。在早期宇宙的高温高压条件下会产生这样的小黑洞。一个质量在10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞可以由于对其它可见物质的影响而被观察到。2.5黑洞研究的意义 沸腾的黑洞，你将把物理学引向何方?透过奇异的黑暗，辐射出新世纪的曙光。 19世纪末20世纪初，物理界出现了两朵乌云：黑体辐射与迈克尔逊实验。一年后，第一朵乌云降生了量子论，五年后，第二朵乌云降生了相对论。经过一个世纪的发展，又在这世纪之交，物理界又降生了两朵乌云：奇点困难和引力场量子化困难。这两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而解决。 基本粒子，天体演化，和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子，天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题，有助于我们深入认识自然界，因此，