黑洞如何构成

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黑洞如何构成
黑洞
“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然.所谓“黑洞”,就是这样一种天体：它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来.
根据广义相对论,引力场将使时空弯曲.当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出.而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面.
等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时,就连垂直表面发射的光都被捕获了.到这时,恒星就变成了黑洞.说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出.实际上黑洞真正是“隐形”的,等一会儿我们会讲到.
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.
这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”.而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径),正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了.
与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了.例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想.那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间.我们都知道,光是沿直线传播的.这是一个最基本的常识.可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲.这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线.形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向.
在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的.而在黑洞周围,空间的这种变形非常大.这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球.所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术.
更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球.这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背!
“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一.许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出.不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的.有兴趣的朋友可以去参考专门的论著

天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，这种奇异天文现象的主要特征是：1、这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；2、它有很大的能量，可以发出极强的各类射线辐射；3、由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它。于是...

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天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，这种奇异天文现象的主要特征是：1、这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；2、它有很大的能量，可以发出极强的各类射线辐射；3、由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度很大的暗天体，美国物理学家惠勒给它取了一个有趣的名字“黑洞”。
在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？ 原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。
设想如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射）。当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象。因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证实它的存在。科学家通过哈勃望远镜上的高速光度计在1992年对天鹅座X-1的一批观察数据进行分析时，发现了两个迅速衰减并很快消失的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时释放辐射的特征正相符合。至于光线在“黑洞”附近会发生弯曲的现象，是因为光波本身就是一种频率很高的电磁波，光现象本质就是一种电磁现象，所以，光线在“黑洞”附近由于受其磁场引力作用而发生弯曲现象是很自然的。
宇宙中一切天体都不是孤立存在的、所有物质之间都有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的产生也不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要的环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是不可分割的整体，只要天体存在，它周围就一定有磁场存在。各类物质结构由于运动方向的不同，运动速度的差异，会产生无数大小不一、强弱不同的磁场旋涡，这种磁场旋涡就是神秘的“黑洞”。大的物质结构产生大的磁场旋涡，如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；小的物质结构产生小的磁场旋涡，如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。
自然界决定物质能量大小有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。由于磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”虽然构成物质密度很小，但因为它有极快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生很大的能量和极强的引力。宇宙中一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，受“黑洞”吸引力作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向其中心高速旋进，会形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”虽然不能直观地看到，但可以通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外有报道，哈勃望远镜已拍摄到“黑洞”周围边缘呈翘曲状的尘埃圆盘，这就更形象的证实了“黑洞”的旋涡性质和真实形态以及旋涡多呈漏斗状的特点。
其实宇宙中这些各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼可以观察到的许多自然涡流现象一样。如地球上大气运动产生的热带气旋--“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量非常大，而在空气涡流中心区域--“台风眼”，由于空气稀薄，压力相对较小，对周围产生很大吸引力，因此气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上可以清晰地看到“台风”的圆形旋涡状云团。还有江河湖海中的水涡流也是圆形旋涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”就像“台风”、“水流漩涡”这些可以直观的涡流现象，是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。“黑洞”中心是外界物质不易进入、有形物质极少的区域，所以，在“黑洞”的中心都是空白区域。因为它对周围物质的吸引力在各方向基本是均匀的，一般“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形旋涡状的。由于“黑洞”物质分布密度的不同，周围还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。
在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度不断增加，磁场旋涡范围会相应增大，能量和引力明显加强，又会吸引更多的物质，如此像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐步增强，到了一定程度便发展成为可以通过光学望远镜直接观察到的有形天体--“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多呈环状（环状星云），它的构成物质相对仍很稀薄，所以，形状非常模糊。随着“星云”体积不断膨胀，便开始了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。
宇宙中所有天体的存在形式和演变过程都是由自然规律所决定的，“黑洞”也不例外。一但我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在联系，包括“黑洞”在内的各种奇异天象便不难解释了。

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根据相对论，下列叙述是正确的：
1.当一个物体的运动速度接近光速时，它的动量将无限增加
2.能量与质量的关系公式E=mc^2
3.当一个物体的运动速度接近光速时，其长度趋于0
4.如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞
把这些事实相加，把这些事实相加，我们似乎可以得出结论：一个以足够接近光速运动的物体会坍缩成黑洞。我们甚...

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根据相对论，下列叙述是正确的：
1.当一个物体的运动速度接近光速时，它的动量将无限增加
2.能量与质量的关系公式E=mc^2
3.当一个物体的运动速度接近光速时，其长度趋于0
4.如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞
把这些事实相加，把这些事实相加，我们似乎可以得出结论：一个以足够接近光速运动的物体会坍缩成黑洞。我们甚至可以声称当你相对于一颗恒星的运动速度足够快时，恒星对于你而言会由于你观测到它的能量增加而变成黑洞。这些当然是似是而非的，因为果真如此，一个相对于恒星固定不动的观测者看到的将会是完全不同的景象。那么哪里搞错了呢？
事实上物体不会由于其外在动能的增加而趋于变成黑洞。对一个相对于物体固定不动的参照系而言，该物体只具有静质量能。并且除非其质量足够大，否则它不会变成黑洞。如果它在一个参照系中不是黑洞，那么它在其他所有的参照系中也不会是黑洞。
导致此种错误认识产生的部分原因在于错误地理解了公式E=mc^2中的质量。随着物质的速度和动能增加的相对论质量，不能被盲目地代入向类似用质量求解黑洞半径这样的公式中去。避免这个错误的方法是只考虑静质量（参相对论FAQ质量随速度变化吗？）而不提及相对论质量。
“如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞”这种叙述是十分含糊不清的。不太严格地讲，如果一定的质量M存在于半径为2GM/c2（史瓦西(Schwarzchild)半径）的球中，那么它必定是一个黑洞。但这是基于对爱因斯坦广义相对论场方程在忽略动量、角动量以及时空自身的动力学特征后得出的一个特殊的静态解。
在广义相对论中，引力不象在牛顿引力中那样只与质量有关，它还和动量及动量流有关，甚至和自身相关。确切地定义黑洞的形成条件是十分困难的。霍金（Hawking）和潘罗斯（Panrose）提出了一些黑洞形成的奇异理论，并且从天体物理学的角度看，这些理论适用于质量足够大的恒星在其生命晚期坍缩成很小的体积之时。

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