引言：如果我这篇关于黑洞的科普性博文，能使感兴趣的网友对黑洞有个大致了解，我也就心满意足了，毕竟黑洞理论非常深奥难懂，且还处于探索阶段。
记得小时候,喜欢站在阳台上仰望浩瀚的星空,故乡的夜空总是那样星光灿烂,满天的繁星颗颗清晰,明亮,看久了恍若置身在太空中,星星好像近在咫尺伸手可摘。每当流星划过长空,一条绚烂的彩带瞬间即逝,母亲如是说,天上的每颗星,对应地上的每个人,流星的坠落,意味着人的去逝，听后感到很神奇。 长大了才知道天上的星星何其多,仅就银河系里的恒星就有一千亿颗,宇宙真是浩瀚无垠啊!太空中除了有能发光发热的恒星外,还有行星,卫星,慧星,白矮星,中子星,类星体,超新星等等。到了上世纪六十年代,科学家们又发现了极为神奇的天体——黑洞。至今对黑洞的认识还处于探索阶段, 随着人类对黑洞深入的研究,将揭示宇宙的起源和演化等重大课题。
浩瀚星空
流星雨
超新星爆炸
两超新星碰撞爆炸
慧星划破太空
小型慧星
人类生活在地球上,"坐地日行八万里,巡天遥看一千河,"地球载着我们高速自转和公转,我们却安然无恙,那是由于地球的引力把我们牢牢吸住。牛顿的万有引力定律告诉我们,物体之间引力大小和物体质量成正比,和两物体之间距离的平方成反比.人类要摆脱地球和太阳系的引力,实现太空飞行就得有足够高的逃逸速度,那就是大家熟知的第三宇宙速度.16.7km/s。由此我们会联想到这样的问题:假设某个星球密度越来越大,而体积却越来越小,由于距离的缩短,质量的增大,该星球上的物体所受的引力也就越来越大,如果大到以光的速度都无法逃逸, 那么这个星球将会吞噬接近它的任何物体,甚至包括光,射线和电磁波。任何物体和信息到它那里就有去无回,人们也就无法观测到,它象一个幽灵无声无息运行在茫茫宇宙中,只有引力能见证它。这样的天体真的存在吗?其实早在1783年,剑桥大学的约翰·米歇尔教授发表论文就预言上述天体的存在,他认为尽管我们无法直接观测到,但其强大引力场对周围星球的作用可证实它的存在。但在当时牛顿力学无法解决引力场对光的作用问题,直到1915年,爱因斯坦广义相对论的发表,才解决了这一难题.广义相对论同时用方程把时间,空间和引力场联系在一起,解出了光和引力之间的关系式。到了1969年美国科学家约翰·惠勒第一个把这一神秘的天体命名为黑洞。
黑洞首先是由理论物理学家通过计算推理预言它的存在,而后才发现的。那么黑洞是如何形成的呢?我们首先来了解恒星的演化：恒星之所以能发生光和热,是由于恒星内部不断进行着核聚变,(轻原子聚合成重原子,释放出大量光和热)此时的恒星表层高温高压气团向外的膨胀力和恒星内部引力保持平衡,维系着恒星的正常运行。但当恒星内部核燃料逐渐耗尽,外层温度的下降,使向外膨胀力无法抵消引力作用时,就会发生引力坍缩,恒星引力坍缩将导致什么样结果?它和恒星质量有什么样的关系?在上世纪二十年代,印度物理学家钱德拉塞卡解决了这一系列问题。钱德拉塞卡被认为是上世纪二十年代全世界能全面理解爱因斯坦广义相对论的三人之一,当时他应用广义相对论和量子力学原理计算出:一个质量为太阳1.5倍的冷恒星,在发生引力坍缩时恒星不能支撑自身以抗衡自已的引力而收缩下去,这一质量被称为钱德拉塞卡极限。当质量小于太阳的冷恒星发生引力坍缩后，根据量子力学中泡利不相容原理,电子之间排斥力足以抵抗引力时,恒星将演变成白矮星。白矮星的密度大约是每立方厘米几十吨。如果冷恒星的质量接近钱德拉塞卡极限,那么引力坍缩将危及原子核内的中子和质子,根据泡利定律,中子之间的排斥力足以和引力抗衡,此时冷恒星将演化成中子星。中子星的半径不超过20公里,密度却高达每立方厘米几千万吨。
如果质量远超过钱德拉塞卡极限的冷恒星发生引力坍缩时,连中子的斥力也无法抗衡,那么灾难性的引力坍缩将会导致无限密度吗?钱德拉塞卡的导师,剑桥大学教授,天体物理学家阿瑟·爱丁顿拒绝相信这样的计算结果。爱丁顿认为引力坍缩不可能到一个点,爱因斯坦的论文也认为体积不会收缩为零。由于导师的异议,钱德拉塞卡改变了研究方向,但到1983年,他获得诺贝尔物理学奖,这在很大程度上是由于他早期研究成果。
超新星爆炸后所产生的带状气团
超新星爆炸后将坍缩成黑洞
剑桥大学教授,史蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。他是位传奇式人物,由于得了引起肌肉萎缩的《卢伽雷氏症》，长期处于瘫痪状态,他的肢体尽管禁锢在轮椅上,而思维却游弋于浩瀚的宇宙空间。他思考和正在解决的是自然界最本质问题——宇宙的起源和演化。他是黑洞研究方面的权威科学家。霍金认为：质量远超过钱德拉塞卡极限的冷恒星,引力坍缩时;连中子的斥力都无法抗衡,其结果中子均被压碎,当收缩到某一临界半径时表面引力强大到连光速都无法逃逸.在这里,存在一事件的集合,或时空区域,这一区域界定为黑洞.其边界称作事件视界.在这里时空被扭曲,而无法逃逸的光其轨迹刚好和视界重合。这个临界半径称为史瓦西半径。
在这里我们作个假设,如果某宇航员不幸被吸进黑洞,进入黑洞视界后,最大的可能是被吸进黑洞中心的裸奇点完全消失。但由于视界内的时空是弯曲的,根据广义相对论方程式的解,也有可能坠入虫洞(爱因斯坦——罗森桥)而到另一时空世界,这也就是人们常说的穿越时空,回到过去，这为科幻作家提供了丰富的想象空间。
科学巨人,阿尔伯特.爱因斯坦
印度著名物理学家钱德拉塞卡
英国著名理论物理学家史蒂芬.霍金
霍金认为：质量远超过太阳的恒星,它必须越热才能抗衡自身强大的引力,其结果它的核燃料消耗得越快,恒星的寿命也就越短。据估算太阳这样中等质量恒星还可燃烧50亿年,而那些远大于太阳的恒星其寿命才几亿年。宇宙从诞生到现在已有137亿年,因此有大量大质量恒星已演化成黑洞是完全可能的.霍金研究得出：黑洞的温度不是零度,黑洞存在着黑体辐射,这种辐射称为霍金辐射。辐射的温度和黑洞质量成反比,其结果导致黑洞因辐射而慢慢变小,温度却越来越高,最后以黑洞蒸发或爆炸而终结。
由于经过黑洞附近的光,射线和电磁波因黑洞强大引力场作用,均会发生弯曲,这一事件的直接结果是：相对地球而言,黑洞背后的恒星,因其光路弯曲使地球上的观察者能看到这些恒星,如果侧面还有黑洞,那么恒星背面射来的光被侧面黑洞引力场弯曲而改变方向,这样我们甚至能观察到恒星背面的图像。这一象现被称作"引力透镜"。
由于黑洞所具有的特性,发现黑洞是很困难的事,但从黑洞周围所发生的一些现象可间接证实黑洞的存在:当黑洞吞噬星际物质时,在其上方会产生被称为《吸积盘》的气体云团,它们会发出强烈的辐射,从而证实黑洞的存在。由于黑洞强大引力会造成附近星球变轨由此也能证明附近有黑洞存在。从理论上证实黑洞存在至今已有几十年,科学家们在宇宙星空中观察发现了许多黑洞,这里仅举几个例子：2004年欧洲的天文学家,在遥远星系发现多个超大型黑洞,2008年美国科学家发现距地球2.6万光年的银河系中心存在大型黑洞,其质量为太阳的270万倍.2012年1月,美国科学家用罗希x射线时变探测器,发现黑洞正进入银河系的图像。
二十世纪物理学得到突飞猛进地发展,特别是量子力学和相对论的建立,开拓和深化了物理学研究领域,与此同时,当今的理论物理学越来越被艰深,繁杂,抽象的数学所替代,由数学推导所得出的物理结论,需要得到实验物理学的观测,验证才能成立,而实验观测领域进展却相对滞后,这就造成很多观点,结论未能得到实验物理学的充分验证,从而存在较大的争议,比如宇宙中的信息守恒问题,平行宇宙问题,穿越时空的虫洞等......甚至有科学家怀疑黑洞的存在?这并不奇怪,相信随着实验物理学的发展,很多争议和观点会逐步得到认同和统一。
科学家观测到的最古老的黑洞
流星接近地面时的图景
黑洞吞噬恒星景象
黑洞吞噬星球时在上方形成吸积盘——旋转气团
银河系中心黑洞
