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牛顿理论也能预测黑洞的存在?浅谈黑洞的趣味发展史
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2023.02.04 北京

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黑洞是广义相对论方程预测的理论实体。当一颗质量足够大的恒星遭受引力坍缩,其大部分或全部质量被压缩到足够小的空间区域,从而在该点产生无限的时空曲率时,黑洞就形成了。如此巨大的时空曲率使得任何东西,甚至光,都无法逃离“事件视界”。

黑洞从未被直接观测到,尽管对其影响的预测与观测相符。有一些其他的理论,如磁层永久性坍塌物体(MECOs)来解释这些观测,其中大部分都避免了黑洞中心的时空奇异性,但绝大多数物理学家认为,黑洞的解释是最可能发生的物理表示。相对论之前的黑洞

牛顿光学是光的微粒理论,把光当作粒子。因此在18世纪,有人提出超大质量的物体可能会吸引光进入。约翰·米歇尔在1784年发表了一篇论文,预测一个半径是太阳半径500倍(但密度相同)的物体在其表面会有一个光速的逃逸速度,因此是不可见的。然而,随着光波理论的兴起,对这一理论的兴趣在20世纪初消失了。

在现代物理学中,这些理论实体很少被提及,它们被称为“暗星”,以区别于真正的黑洞。相对论中的黑洞

在1916年爱因斯坦发表广义相对论后的几个月内,物理学家卡尔·史瓦西提出了一个求解爱因斯坦球质量方程(称为史瓦西度量)的方法。他得到了意想不到的结果,表示半径的术语有一个令人不安的特点。

在一定半径范围内,这一项的分母似乎会变成零,这将导致这一项在数学上“爆炸”,这个半径称为史瓦西半径。因为史瓦西的工作被证明对理解黑洞至关重要,所以将史瓦西半径翻译成了“黑盾”。黑洞理论的发展

上世纪20年代,物理学家钱德拉塞卡推导出,在广义相对论下,任何质量超过1.44倍太阳质量的恒星(钱德拉塞卡极限)都必然会坍缩。物理学家阿瑟·爱丁顿认为一些性质可以防止坍塌。

罗伯特·奥本海默在1939年预测,一颗超大质量恒星可能会坍缩,从而在自然界形成一颗“冰冻恒星”,而不仅仅是在数学上。坍缩似乎会减慢,实际上在它穿过史瓦西半径时时间冻结了。恒星发出的光在史瓦西半径将经历巨大的红移。

不幸的是,许多物理学家认为这只是史瓦西度量的高度对称性质的一个特征,他们相信在自然界中,由于不对称,这样的坍缩实际上不会发生。

直到1967年,也就是史瓦西被发现近50年后,物理学家史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯才证明,不仅黑洞是广义相对论的直接结果,而且也没有办法阻止这种坍塌。脉冲星的发现支持了这一理论,不久之后,物理学家约翰·惠勒在1967年12月29日的一次演讲中为这一现象创造了“黑洞”一词。

黑洞的猜测

黑洞是一个吸引想要挑战的理论家和实验者的领域。今天,人们几乎一致认为黑洞是存在的,尽管黑洞的确切性质仍有疑问。一些人认为落入黑洞的物质可能会在宇宙的其他地方重新出现。

黑洞理论的一个重要补充是霍金辐射,由英国物理学家史蒂芬·霍金于1974年提出。?

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