登 录
登 录

《六极物理》:《六极物理》中关于“现实中的黑洞如何诞生?”

访问量:

时间:2022-06-18

《六极物理》:《六极物理》中关于“现实中的黑洞如何诞生?”

文/耳证人

六极物理/严伯均/接力出版社



如何形成一个黑洞?

广义相对论推论出来的黑洞,表现为时空的极致扭曲。那么物理上,在什么情况下能够形成一个黑洞呢?

我们直觉上会认为,要产生一个黑洞,需要有极强的引力场让空间极致扭曲,而这种扭曲只能由质量产生,因此要成为一个黑洞,则需要超级大的质量。宇宙中真实存在的黑洞也确实如此,黑洞的质量往往在10倍的太阳质量以上,还会有那种质量大到令人咋舌的黑洞,比如银河系里有个叫M87的黑洞,它的质量达到了64亿倍的太阳质量。直觉上,要形成一个黑洞需要超大的质量,但事实并非如此,制造出时空奇点本质上只要强引力场,并非要大质量。

根据牛顿的万有引力公式做个估算,引力正比于天体质量,反比于距离的平方,也就是一个天体,甚至不是天体,只要存在密度足够大的物质,就可以形成一个黑洞。即便物体的质量不是那么大,如果我们能想办法把它压缩到一个很小的体积,它也会成为一个很小的黑洞,并且这个黑洞的体积也非常小,不会对周围的时空有很大的影响。这也是为什么2013年瑞士的LHC(大型强子对撞机,Large Hadron Collider)要开始运行的时候,曾经有一批人担心这么强能量等级的对撞机,已经完全有能力在微观上制造出黑洞了。

小质量的黑洞理论上也是有可能形成的,但是如果我们真的研究天体的形成过程,就会发现宇宙中的主要黑洞质量都不小。因为黑洞的形成不是一蹴而就的,它在聚集质量的过程中要经过很多阶段,比如恒星阶段。黑洞的形成也是一个循序渐进的过程,因此在天然形成过程中,没有那么大的外部压力把它从很小的质量开始就压缩成为一个黑洞。

总结一下就是,原则上,形成一个黑洞只要密度够大就行,对质量没有要求。但是宇宙中实际存在的黑洞,通常都是质量很大的。这是因为天然形成过程中,只有大质量才能提供极其巨大的压力,让天体的密度大到可以成为黑洞的程度。在物质聚集的过程中,会遇到各种各样的与引力向内收缩的趋势相对抗的因素,譬如核聚变、简并压等,只有质量足够大,提供足够大的引力,才能最终抵消这些抵抗的作用。

小质量的黑洞要形成还有一种可能,就是在宇宙大爆炸之初的时候,当时的宇宙能量密度极高,在如此高的能量密度下,就有可能使得物质密度达到黑洞的要求,这样的黑洞叫作原初黑洞(primordial black hole)。原初黑洞理论上的质量可以非常小,霍金曾经做过计算,质量小到10-8千克的原初黑洞都是有可能存在的,只不过我们至今都没有探测到任何原初黑洞。

霍金的一个最重要的学术贡献叫“霍金辐射”(Hawking radiation)。霍金辐射是说,如果考虑量子力学的影响,黑洞并非完全不往外“吐”东西,考虑量子力学效应的话,在黑洞的视界线(horizon)边缘,黑洞会等效地向外辐射粒子。这种辐射越大的黑洞越不明显,所以小的黑洞倾向于很快地蒸发掉,因此即便有很小的原初黑洞存在,它也早就蒸发完了。

如何定义黑洞的边界:史瓦西半径(Schwarzschild radius)

了解了什么是黑洞,以及如何形成一个黑洞,我们回过头来问一个之前在“极大篇”中经常问的问题:一个天体形成固定大小以后,由什么来平衡引力呢?这个问题也可以问在黑洞身上:

(1)黑洞的大小是多少?

(2)是什么力平衡了黑洞的引力?

黑洞的情况跟普通天体不一样,因为黑洞内部不能用广义相对论描述。更加可怕的是,黑洞当中没有任何东西可以跑出来。换言之,我们从黑洞里面无法获得任何信息。既然没有信息,从原理上,我们就根本无法研究它。

物理学的研究方法是什么?先归纳,再演绎,后验证。

我们要通过观测先得出原理,然后才能进行演绎和推导。但是黑洞什么信息都无法给出,我们完全不知道它里面是什么样的。可以想象,黑洞里的物理定律也许跟外面宇宙时空的物理定律完全不一样,我们不知道里面的物质处在什么状态,也就无法回答黑洞里面是什么力跟引力平衡,甚至黑洞可能并非处在受力平衡的状态。

我们甚至无法确认黑洞是不是有一个确定的大小。你可能会在其他的书籍中看到,黑洞的密度无限大,它没有大小,就是一个致密的几何点而已。这种说法其实太过武断,因为我们根本不知道里面有什么就去定义它的密度,其实是不妥的。

在不知道黑洞里面是什么的情况下,我们如何定义黑洞的里外、大小和界限呢?这里就引出了一个概念,叫作视界线,就是地平线的意思。视界线,就是黑洞的边界,越过了视界线就等于进入了黑洞。视界线以外是正常的时空,也会经历大的扭曲。视界线虽然叫线,但其实它是一个球面。你向黑洞靠近,一只脚踏进视界线的时候就进入了黑洞,就再也出不去了。视界线这个球面的半径,就可以被定义为黑洞的半径。知道了如何定义黑洞的边界,就自然引出了一个概念,叫作史瓦西半径。

史瓦西(Karl Schwarzschild)是一位德国物理学家,他在1916年给出了史瓦西半径的概念。一个球形天体的史瓦西半径的位置,是天体周围的爱因斯坦场方程中,那些让时空曲率无限大的点。除了计算复杂以外,它的原理跟找出y=1/x当中x的取值会让y爆掉的点是一样的。

史瓦西半径是任何一个天体都有的,不同质量的天体对应不同的史瓦西半径。对于非黑洞天体,史瓦西半径要比这个天体的实际半径小,也就是史瓦西半径落在天体的内部。如果我们现在开始对这个天体进行压缩,当它的半径被压缩到史瓦西半径以内的时候,这个天体就变成了一个黑洞。比如,太阳的半径大约是70万千米,但是太阳的史瓦西半径却只有3千米。也就是说,如果太阳要变成一个黑洞,我们要把太阳压缩1.3亿亿倍。地球的史瓦西半径更小,大概是3 厘米。也就是说,地球如果要成为一个黑洞,需要压缩到一个小橘子那么大。

根据史瓦西半径的理论,我们就知道如何去计算一个黑洞的大小了。一个黑洞,如果知道了它的质量,那么它的半径只能比它的史瓦西半径更小;如果比史瓦西半径大,它就不可能是一个黑洞。

这也就解释了为什么宇宙中实际存在的黑洞大多是质量比较大的,只有质量足够大,引力才会足够强,才能把自己压缩到史瓦西半径以内。否则,在压缩的过程中就会有太多的阻碍。早期会有恒星的核聚变阻碍压缩,后期有白矮星、中子星的简并压。只有天体质量大到充分胜过这些阻碍,才能把半径压缩到史瓦西半径以内,成为一个黑洞。

总的来说,黑洞诞生的关键是要密度够大,史瓦西半径是一个重要的判断标准。但是宇宙中不是只存在引力,一个正常的天体要在引力作用下收缩会遇到各种其他因素的阻碍,譬如电磁力、简并压、核聚变等,因此在实际情况下,必须质量足够大才有机会成为一个黑洞。


——本文转载自豆瓣书评

版权所有:   2017@眉山市图书馆      /      蜀ICP备09031196号 /      技术支持:四川云图信息技术有限公司