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01 黑洞是什么 What Is a Black Hole(第2页)

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也就是天炉座星系团,离我们有几亿光年。

因此,

在围绕天炉座星系团中的某颗恒星运行的行星上如果有一位观察者,手头配备了恰当的仪器回看地球,可能会看到恐龙在地球上徘徊。

不过这只是由于宇宙浩瀚得令人难以置信,才使得光的运动看起来迟缓且费时。

但当我们开始考虑如何将火箭发射到太空时,宇宙规定光速是上限这一点就会带来一种有趣的效应。

逃逸速度

现在假设某些灾难的发生导致地球的全部质量都收缩到了一个点,我们把这样的物体称为奇点。

它现在已经成了一个“质点”

,一个占据空间体积为零的有质量物体。

在距这个奇点只有1米左右的地方,逃逸速度将远大于在1600千米处的取值(实际上将约为光速的10%)。

离奇点更近,略小于1厘米的地方,逃逸速度将等于光速。

在这个距离上,光本身没有足够的速度来逃离引力的拉扯。

这是理解黑洞性质的关键思想。

对“奇点”

一词的用法值得明确。

我们不相信在持续的引力坍缩的终点,物质会变成某个几何点;正相反,我们会发现经典引力理论失效并进入量子体系。

从这里开始,我们将使用术语奇点来指代这种极其致密的状态。

事件视界

现在想象你是一名驾驶宇宙飞船的宇航员,并且正在接近这个奇点。

当距离它还有一段距离时,你可以随时将发动机反转并逃之夭夭。

但是距离越近,就越难体面地撤离。

最终你会到达一个无论装载的发动机有多强大都无法逃脱的距离。

这是因为你已经到达了事件视界,这是一个用数学方式来定义的球面,它也被定义为内部逃逸速度超过光速的边界。

对于我们关于地球坍缩到一个点的思想实验而言,这个表面将是一个以奇点为中心,半径只有1厘米的球面,这对我们的太空船来说可能很容易避开。

然而当黑洞由恒星而不是行星坍缩形成时,事件视界会变得更大。

事件视界有一个重要的物理效应:如果你在那个表面之上或者里面的话,物理定律根本不允许你逃离,因为这样做你需要打破普适的速度限制。

事件视界是一个强制性的标界:在它之外你有决定你命运的自由,而在它之内你的未来将被锁在里面,不可改变。

这个球面半径被称为史瓦西半径,是为了纪念前面提到的卡尔·史瓦西。

作为第一次世界大战中的一名士兵,史瓦西得到了广义相对论中著名的爱因斯坦场方程的第一个精确解。

史瓦西半径写为Rs=2GMc2,其中M是黑洞的质量,G是牛顿引力常数,c是光速。

根据这个公式,地球的史瓦西半径还不到1厘米。

以此类推,太阳的史瓦西半径为3公里,这意味着如果我们的太阳被压缩成奇点,那么距这一点仅3公里之处的逃逸速度就将等于光速。

一个质量是太阳质量10亿倍的黑洞(具有109太阳质量)将使史瓦西半径扩大10亿倍(一个无旋转的点质量的史瓦西半径与其质量成正比)。

正如我将在第6章中所描述的那样,这些巨大的黑洞被认为存在于很多星系的中心。

在牛顿物理学中,这种对事件视界的描述是合理的。

事实上,在爱因斯坦和其他我们提到的人之前几个世纪,类似黑洞的物理实体是被想象出来的,而它们深刻地改变了我们对空间和时间的理解。

最早想象出类似黑洞的“暗星”

的人是18世纪的约翰·米歇尔(JohnMichell)和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(PierreSimonLaplace),而现在我将解释他们做了什么。

天文学的一个非凡之处在于,即使你被困在地球上也能发现关于宇宙的很多事情。

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