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黑洞源于广义相对论,但爱因斯坦曾经却否认黑洞的存在,为什么?

人类对于事物的认知有两种不同的顺序。

一种是先发现事物,然后再进行研究,得出理论,从而指导实践。另一种是直接通过理论推导出某种事物的存在,然后再去寻找和发现它。黑洞无疑属于后者。对于今人而言,黑洞已经没有过往那么神秘,我们不仅通过观测发现了黑洞的存在,更是取得了人类历史上首张黑洞照片。

但在人类真正观测并取得黑洞照片之前,黑洞便已经从理论中诞生,而孕育黑洞的理论就是爱因斯坦所提出的广义相对论。广义相对论的提出带领人类从牛顿的时代跨入了爱因斯坦的世界,人类对于宇宙规律有了新的认识,人类首次认识到了更为接近真理的理论,知道了引力的本质是一种几何效应,是时空的弯曲。

人们都知道黑洞源于爱因斯坦的广义相对论,却很少有人知道黑洞并不是爱因斯坦推导出来的。

通常我们在描述一个黑洞大小的时候会用到这样的一个词汇,那就是史瓦西半径,而利用广义相对论方程推导出黑洞的人就是这个史瓦西。史瓦西是一名德国物理学家,也是一个犹太人。他通过广义相对论方程求解推导出了一种在当时看来不可思议的宇宙天体,那个时候黑洞并没有一个正式的名字,由于是史瓦西利用广义相对论推导而出的,所以这种理论上的天体就被称之为“史瓦西解”。

根据这种推论,黑洞拥有无限的密度与极高的质量,而密度和质量会导致时空的弯曲。任何有质量的物体都会导致时空的弯曲,质量小的物体引起的时空弯曲小,而质量大的物体引起的时空弯曲大。

弯曲的时空会将物质陷入其中,要想从这个弯曲的时空中逃脱,就需要一定的速度,这个速度就被称之为逃逸速度。

比如,我们要想摆脱地球的引力,将卫星送入地球轨道,那么就必须要达到第一宇宙速度,也就是7.9km/s,若想彻底离开地球,去探索其它星球,那么就要达到第二宇宙速度,也就是11.2km/s,若想摆脱太阳系的引力束缚,去探索更为遥远的宇宙空间,就必须要达到第三宇宙速度,也就是16.7km/s。

黑洞的引力要远比地球和太阳这样的星球大得多,所以黑洞会导致时空出现极度弯曲,而要摆脱这种时空的弯曲,所需要的逃逸速度超越了光速,而宇宙间没有任何物体的速度可以超越光速,所以包括光在内的一切只要进入到黑洞之内便无法离开。

黑洞自己不发光,进入黑洞的光无法逃离,所以黑洞也不反射光,于是黑洞就成为了一个完全不可见的天体。

同时根据黑洞只进不出的特性,也就有了“黑洞”这个名字。从几何意义上来讲,黑洞的性质还是易于理解的。因为黑洞导致了时空的极致弯曲,所以从黑洞出发的一切都会返回自身,所以自然也就不可能有什么东西离开黑洞。

有趣的是,黑洞虽然是从广义相对论中推导而出的,但作为广义相对论的提出者,爱因斯坦对黑洞却并不买账,爱因斯坦认为黑洞这种天体只是存在于理论之上,并没有实际的意义,因为在现实之中,黑洞的存在会违反一些物理定律。爱因斯坦之所以认为黑洞不可能存在,是因为无法给黑洞的来源一个合理的解释。

恒星级的黑洞都是由大质量的恒星坍缩而来的。

在大质量恒星主序星阶段结束之后,会通过一次超新星爆发而最终坍缩为黑洞。问题在于,如果要让大质量的恒星坍缩为一个密度无限的奇点,那么坍缩的速度将会超越光速,而超越光速在宇宙系统内部是不可能达成的。

爱因斯坦的顾虑是没有错误的,因为在当时,这的确是一个无解的问题。当然,现在这个问题已经不再是黑洞存在的障碍,物理学家们早已经找到了不需要超越光速就可以坍缩为奇点的办法,为黑洞的存在铺平了理论的道路。现在,早已没有人再去讨论黑洞是否存在,人类已经手握黑洞的照片。而这张黑洞照片与爱因斯坦广义相对论所进行的模拟完全符合。

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