TWed2k - 文字海洋 - [原創]黑洞與廣義相對論

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金驢友〔初級〕

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#1 : 2007-3-9 09:31 PM 只看本作者	送花 (36) 送出中...

　　在其它文章和網友談到了黑洞，忽然想起以前曾寫過一篇有關於黑洞的文章，在此把它貼出來，有興趣的朋友可以一起來討論。
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黑洞本身其實有很複雜的機制，但今天我們的主題並不是在詳述黑洞，而主要是在講黑洞與廣義相對論的關係。

在牛頓的重力理論之下，牛頓說，當我們把一顆棒球（牛頓時代當然沒有棒球這種東西）往上拋時，它會落下來，因為重力把它拉回來了。但如果我們拋出去的速度夠快，在不計和空氣的摩擦力之下，球要脫離地球的速度趨勢和地球的引力互相抵消，那這顆球就會繞地球旋轉，和月球一樣；如果我們用更快的速度丟球，那這顆球將會永不回頭地離開地球，因為地球的引力不足拉回這個顆球。這個能夠使棒球脫離地球的速度的最下限，稱為「脫離速度」。

其實黑洞的起始只是來自於不切實際的遐想，首先是吵了數百年的光的微粒說和波動說，如果光是波動，那愛因斯坦之前還沒有人可以解釋重力是否對光有影響；如果光是微粒，那就可以把光當成棒球那樣，受著重力的影響。

1783年，劍橋的學監約翰﹒米歇爾首先發表，在宇宙可能存在著引力十分強大的星球，這些星球的引力大到連光都無法逃脫，也因此我們無法觀測到。米歇爾在這裡把光當成棒球那樣來處理，或許這個假設太不切實際了，隨後米歇爾便不再提起他這個假說。甚至那時候也沒有「黑洞」這個詞。

再來我們來了解一下黑洞如何形成的吧，以我們太陽為例，在太陽生命中的百分之九十九的時間都會在主序星的狀態上，也就是現在的狀態，在核心之中不斷地進行把氫原子核合成氦原子核，同時不斷地釋放出大量的能量。當如果有一天氫原子用完了怎麼辦？

這時太陽的氦核心會因為失去能量來源而受到重力的作用不斷地壓縮，同時不斷地加熱，這時緊臨在氦核心之外的氫層受到熱而開始產生熱核作用，同時也不斷向外膨脹。當氦核心不斷地收縮加熱，至某一個臨界點時，便足以點燃下一步的核反應－－三個氦原子合成一個碳原子。而太陽同時成為一顆早已把金星吞下肚的巨大怪物－－紅巨星。那如果連氦都用完了呢？以太陽的質量而言並不足使碳在做進一步的反應，因此失去力量的太陽將開始收縮，直到物質之間十分靠近。根據包利不相容原理，電子之間必須有非常不同的速度，這將使得它們彼此散開而企圖膨脹（電子簡併壓力），這個力量足抵抗強大的引力的收縮，因此太陽最終將沉寂於這樣的狀態，此時稱為白矮星。在白矮星上每立方公分可重達數十噸，而這時太陽被壓縮得只如同地球一般大小。

在這裡我稍微說明一下恆星平衡的狀態，在恆星之中重力會使得恆星收縮，因此必須有一種力來抵抗重力，在地球上原子之間的電磁力可以輕而易舉地抵抗重力，這也是你從 101 大樓跳下來會摔死的原因，但在太陽中卻是利用核反應產生強大的外推力來抵抗強大的重力，也就是核反應產生的熱壓力等於重力，所以太陽才會維持現在的穩定狀態。但在白矮星中因為沒有核反應的力量，因此一直收縮到原子之間十分緊靠，而必須依賴電子簡併壓力來抵擋重力。

但這並不代表所有的恆星都可以靠電子簡併壓力來阻自己不斷收縮，如果有一顆恆星質量夠大，即使它的外殼成為紅巨星時被炸散掉一部份，中心留下質量的仍然夠大，僅依靠電子間不相容原理無法抵抗重力，這時它將會繼續收縮，直至電子和原子核緊密地靠在一起，這時質子將與電子結合成為中子，因此整個恆星將成為幾乎是中子的狀態，這時靠的是強核力來抵擋重力，強核力是宇宙間最強的力量，只是它只能作用在極短的距離內，而重力是宇宙間最弱的作用力，優點是無遠弗屆，因此當大量的重力合起來時便可以與強核力相抗衡。

中子星有太陽一般的質量卻只有十幾公里的直徑，因為強大的重力使得中子星不會有任何的凹陷或凸起。在中子星僅僅一立方公分便有數億噸。

但如果這顆恆星本身的質量更大，在超新星爆炸後所剩下的質量仍然十分大，以至於即是中子態仍無法抵抗，那結果將如何？這時重力將勝過強核力，連宇宙最強的力也無法抗擋重力，那結果將是這顆核心無限地向內塌縮，這就是黑洞。

提到黑洞我們要先提兩個很重要的東西，奇異點（或稱奇點）及事件視界（或稱事件穹界、事象地平面），奇異點是原本恆星無限塌縮的部份，而在這裡任何的物理定律都不適用；事件視界是一個抽象的名詞定義，事實上你無法直接觀測到事件視界，事件視界是指一個連光都無法逃脫的臨界範圍，前面說過，萬有引力使得每一個要離開一個物體的另一個物體必須有某個程度以上的速度才能離開，稱為脫離速度。而在事件視界以內的物體則必須有光速以上的速度才能脫離，這意味著事件視界是一個一去無回的界線，因為宇宙中沒有大於光速的速度。

但事實上也不用太擔心，因為你永遠也進不了事件視界。在解釋這個之前，我們先來說明一下一種最簡單的黑洞，史瓦西黑洞，史瓦西黑洞不旋轉，因此它很容易處理，我們也可以利用簡單的公式來計算史瓦西半徑（即事件視界的範圍），但其實半徑是不恰當的名詞，因為黑洞沒有半徑，理由是黑洞會把任何測量的尺都吞進去。我們只能測量黑洞的圓周，並得到 2πr, 而這個 r 則可勉強稱之為「半徑」（所謂黑洞的「半徑」即是事件視界的範圍）。

黑洞會扭曲附近的時空，在史瓦西黑洞的「半徑」外面一點的地方，有一個光球層，凡是沿切線射入這個範圍的光都會被黑洞擄獲，並永遠繞著黑洞旋轉，這是一個有趣的現象，因為你如果站在這裡沿切線方向看去，你會看到自己的背後！

假設今天有個不怕死的勇士，願意去做一趟有去無回的黑洞之旅，他乘坐著一艘太空船，並往星系中央有太陽十億倍質量的黑洞前去，選擇如此大質量黑洞的原因是避免這個勇者在進入黑洞之前就被潮汐力撕裂。

當這個勇者漸漸靠近黑洞時，對他而這並沒有太奇怪的的事情發生，除了天上的星星變得愈來愈藍、及太空船後面的窗戶能看見的星空漸漸縮小外；而對在遠處觀察的我們而言，卻發現太空船愈來愈紅，而且速度也愈來愈慢，並非是勇者害怕而把太空船的速度降下來，如果我們能看到太空船的內部，會發現勇者的動作像電影的慢動作一般，因為勇者的時間變慢了。

而當太空船愈來愈近事件視界，勇者本身觀察的星星愈來愈藍、太空船後面窗戶的星空愈來愈縮成一個小點；對遠處的我們，則是發現太空船愈來愈紅，而且速度愈來愈慢。

最後，太空船撞上事件視界上了！事實上對遠處的我們不可能看到太空船撞上事件視界，一是在這瞬間紅位偏移會是無限大，波長也變成無限大，我們根本什麼都看不到，而且當太空船愈來愈靠近事件視界，太空船的時間會愈來愈慢最後靜止在事件視界，以致對我們而言，永遠也等不到太空船到達事件視界，

然而對勇者而言，穿過事件視界只是一瞬間的事，因為對勇者而言，他的時間一點都沒有變慢。他也許和平常一樣喝著咖啡，操控著太空船，在他喝第一口咖啡的時候，進入事件視界，並還來不及喝第二口前便會撞上奇異點結束他偉大的一生（事實上在撞上奇異點前他會被潮汐力撕成碎片）。

目前我們無法討論事件視界裡面的情況，也無法得知奇異點到底是怎樣，因為在這裡並不適用於任何的物理定律。這是很有趣的一件事，廣義相對論推導出了一個自己並不適用的地區，而且和永恆混沌暴脹理論所推導出的第二層次的多重宇宙一樣，永遠無法用觀測去證實。

因為黑洞不會允許任何資訊從裡面出來，因此永遠無法得知奇異點的狀況；而第二層次的多重宇宙要觀測的距離比無窮遠還要遠，因此我們永遠都觀測不到。

（註：這篇文章寫於 2004 年，有興趣的是，幾天後，物理學家霍金同意了一個看法，那就是黑洞內部的資訊並非永遠不回，黑洞在經過不斷地輻射蒸發後，有可能釋放出內部的資訊。）
（註二：事實上十幾年前就有物理學家利用弦論得到資訊不會從黑洞中消失的結論，但霍金本人並不認同這個結果。）

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#2 : 2007-3-9 11:10 PM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

黑洞的中心以目前的物理來說應該是沒有辦法解釋的吧....
因為經過公式導出來的結果是質量無限小,引力無限大

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#3 : 2007-3-10 12:48 AM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

希望在我有生之年科技進步到世界和平

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#4 : 2007-3-10 12:56 AM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

這篇深入淺出的大作我好像看過
閣下可是科學人雜誌的編輯群之一?

看到這篇文章
我就想到楊艦隊與舒坦梅茲一役
同盟軍沿著事像地平面佈陣的橋段

相關關鍵字: 楊威利黑森林半徑

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#5 : 2007-3-10 12:56 PM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

相對而言.可惜的是.目前天文學家並未真正發現到白洞與蟲洞的具體存在.有科學家認為「白洞」很可能就是「黑洞」本身.

如果真有外星人並且來過地球.想必已破解克服時間與空間的謎&障了吧???

[UFO 在 2007-3-10 01:00 PM 作了最後編輯]

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#6 : 2007-3-10 01:00 PM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

引用:

UFO寫到:

相對而言.可惜的是.目前天文學家並未真正發現到白洞與蟲洞的具體存在.有科學家認為「白洞」很可能就是「黑洞」本身.

如果真有外星人並且來過地球.想必已克服時間與空間的謎障了吧???

恩...
黑洞的相對是白洞...
可惜現在連黑洞都還沒有辦法找到~
更不用說是白洞了

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#7 : 2007-3-10 05:15 PM 只看本作者	送花 (1) 送出中...

黑洞的存在已經是「幾乎完全確定」的事實，因為有很多的觀測證據都可以證明黑洞的存在；而白洞則大約在「可能存在」的情況，雖然有觀測證據，但還不是很確實。
不過宇宙中最神祕的東西卻是黑暗能量、黑暗物質；最奇妙的東西則是重力。

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kamlin
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#8 : 2007-3-10 06:35 PM 只看本作者	送花 (1) 送出中...

引用:

UFO寫到:

相對而言.可惜的是.目前天文學家並未真正發現到白洞與蟲洞的具體存在.有科學家認為「白洞」很可能就是「黑洞」本身.

如果真有外星人並且來過地球.想必已破解克服時間與空間的謎&障了吧???

大家的論述都很精彩
我對這類事情懂得不多

聽說的東西大致上都來自科幻影集、電影
說到太空旅行
比較早之前的影集好像都把人冰凍起來
後來都直接升級成「超空間」、「亞空間」飛行
還有stargate的蟲洞旅行
雖然完全沒搞懂，不過好看就好

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eric681021
驢baby

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#9 : 2007-3-10 07:30 PM 只看本作者	送花 (0) 送出中...

或許以後可以用反物質來解釋為何奇異點不會存在於黑洞中,
當引力越大原子/粒子的活動必被限制某一範圍,使碰撞機會增加,在這過程中,會出現反物質,
當引力大於臨界值時,會使反物質倍增並向外飛散,而使黑洞的量質快速縮小,而飛散的反物質,則
快速衰敗而形成最單純的能量!
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以上是小弟天馬行空的想法!

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Kicks
銀驢友〔中級〕

獸耳毒....

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．吵吵鬧鬧的海島國~

#10 : 2007-3-11 03:22 AM 只看本作者	送花 (1) 送出中...

之前看國家地理頻道/Discovery(哪一個我忘了)
有一個節目提到探索黑洞
他們說黑洞有兩種,一種是不移動,一種是會移動
不移動的很難觀測
而會移動的則有辦法觀測
會移動的有兩種狀況可以觀測的到
一種是黑洞遇上質量大的物體,例如其他恆星,在黑洞吞食時引發的物質漩渦會噴發出能量柱,這個據說是可以觀測的到,但真的遇上.....據說被吞食的恆星最後爆炸那刻散發的電磁風暴會影響距離數千光年內的星系,數十光年內的話......就像整個被微波爐烤一次一樣

另一種就是黑洞經過其他恆星和地球之間的位置,這時因為黑洞的重力,光線會被扭曲,在地球上會觀測到該恆星的光度突然減弱而後又恢復正常,這種在該節目中有播出實際觀測到的例子

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