黑洞、白洞、虫洞各是什么?(天文物理科学知识转贴)
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!
白洞
黑洞就象宇宙中的一个无底深渊,物质一旦掉进去,就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点,科学家们大胆地猜想到:宇宙中会不会也同时存在一种物质只出不进的“泉”呢?并给它取了个同黑洞相反的名字,叫“白洞”。
科学家们猜想:白洞也有一个与黑洞类似的封闭的边界,但与黑洞不同的是,白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向边界外部运动,而白洞外部的物质和辐射却不能进入其内部。形象地说,白洞好象一个不断向外喷射物质和能量的源泉,它向外界提供物质和能量,却不吸收外部的物质和能量。
白洞到目前为止,还仅仅是科学家的猜想,还没有观察到任何能表明白洞可能存在的证据。
在理论研究上也还没有重大突破。不过,最新的研究可能会得出一个令人兴奋的结论,即:“白洞”很可能就是“黑洞”本身!也就是说黑洞在这一端吸收物质,而在另一端则喷射物质,就像一个巨大的时空隧道。
科学家们最近证明了黑洞其实有可能向外发射能量。
而根据现代物理理论,能量和质量是可以互相转化的。这就从理论上预言了“黑洞、白洞一体化”的可能。
要彻底弄清楚黑洞和白洞的奥秘,现在还为时过早。但是,科学家们每前进一点,所取得的成绩都让人激动不已。
我们相信,打开宇宙之谜大门的钥匙就藏在黑洞和白洞神秘的身后。
虫洞
通过时空结构的假想通道。虫洞可想像为通过时空的捷径,即连接两个黑洞或(更具猜想性)一个黑洞和一个白洞的宇宙地道。
一个虫洞的‘另一端’可以在空间的任何地方,也可以是时间的任何一刻,使得经过虫洞的任何物体转瞬之间出现在宇宙的其他部分——不仅仅是另一个地点,也可以是另一个时刻。
广义相对论方程式描述虫洞的解,实际上在理论提出不久后的1916年就找到了,不过那时没有做这样的说明。
阿尔伯特·爱因斯坦本人于1930年代在普林斯顿与内森·罗森(NathanRosen)的合作研究,发现史瓦西解所代表的黑洞,实际上就是他们称之为两个平坦时空区之间的桥(现在叫***因斯坦—罗森桥)的东西。
虽然这些方程式被当作数学精品进行了研究(特别是约翰·惠勒及其同事们的工作),但1985年前无人把它们视为宇宙的真实特性,因为数学上研究过的所有例子都只能打开短短一瞬,在任何东西,包括光,尚未来得及通过地道时就(根据方程式)砰地一声重新关闭了。
虽然这一思想为科幻作家所喜爱,但科学家一般认为必定有某条自然定律阻止了虫洞的存在。但是,当加州理工学院的相对沦学者们在1980年代试图证明这点时,却发现无法做到。广义相对论(这是我们现有最好的引力和时空理论,它通过了对它进行过的所有检验)中没有任何东西禁止虫洞的存在。
不仅如此,基普·桑尼和他的同事们还发现爱因斯坦方程式甚至有允许存在长寿命虫洞的解。
这样一个虫洞的‘嘴巴’看起来应该像一个球形黑洞的视界,但有一点重要区别。视界是一个单向表面,没有东西能从它里面出来。
但一个虫洞嘴巴的表面则允许双向交通。如果我们朝一个另一端在织女星附近的虫洞里面张望,我们将能看见织女星的光从通道里面出来——而织女星附近的观测者从另一端朝这同一个虫洞里面张望时,也将看见太阳的光。
但造一个人类能通过它旅行(见时间旅行)的大虫洞仍然是极端困难的,而从一切实用目的来看也许是不可能的。
但物理学家们着迷于也许存在普朗克长度规模天然虫洞的可能性。这种虫洞提供基本的泡沫状时空结构,(以类似诗歌修辞中的混合隐喻手法)由虫洞纤维编结出时空织物本身。
如果是这样,那就会有很多奇特的可能性。例如,这种细小的(超亚微观)虫洞可以连接宇宙中相距遥远的区域,使信息得以泄露,从而保证地球上的物理学定律与遥远类星体上的定律相同。或者一个小虫洞与我们的宇宙断开,并开始通过暴涨长大成为一个独立的宇宙../
爱因斯坦的相对论啊!!“黑洞”是一种天体:它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。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。
虫洞到现在为止,我们讨论的都是普通“完美”黑洞。细节上,我们讨论的黑洞都不旋转也没有电荷。如果我们考虑黑洞旋转同时/或者带有电荷,事情会变的更复杂。
特别的是,你有可能跳进这样的黑洞而不撞到奇点。结果是,旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。
白洞有可能离黑洞十分远;实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”--那就是,一个时空区域,除了虫洞本身,完全和我们在的区域没有连接。
一个位置方便的虫洞会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离,甚至旅行到另一个宇宙。或许虫洞的出口停在过去,这样你可以通过它而逆着时间旅行。
总的来说,它们听起来很酷。
但在你认定那个理论正确而打算去寻找它们之前,你因该知道两件事。首先,虫洞几乎可以肯定不存在。正如我们上面我们说到白洞时,只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。
特别的,当黑洞由普通物质坍塌形成(包括我们认为存在的所有黑洞)并不会形成虫洞。如果你掉进其中的一个,你并不会从什么地方跳出来。你会撞到奇点,那是你唯一可去的地方。
还有,即使形成了一个虫洞,它也被认为是不稳定的。
即使是很小的扰动(包括你尝试穿过它的扰动)都会导致它坍塌。
最后,即使虫洞存在并且是稳定的,穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射(来自附近的恒星,宇宙的微波背景等等)将蓝移到非常高的频率。
当你试着穿越虫洞时,你将被这些X射线和伽玛射线烤焦//“黑洞”是一种天体:它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来。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。//
白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体。和黑洞类似,它也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只可以经边界向外运动,而不能反向运动,就是说白洞只向外部区域输出物质和能量,而不能吸收外部区域的任何物质和辐射。
球状白洞的几何边界也是以史瓦西半径为半径的球面。其外部时空由史瓦西度规描述。白洞是一个强引力源,其外部引力性质与黑洞相同。白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。白洞学说主要用来解释一些高能天体现象,有人认为,类星体的核心就可能是一个白洞。
当白洞内中心奇点附近所聚集的超密态物质向外喷射时,就会同它周围的物质发生猛烈碰撞,而释放出巨大能量。因此,有些剧烈的射电射线现象可能与白洞的这种效应有关。
白洞目前还是一种理论模型,尚未被观测所证实。
黑洞是广义相对论预言的一种特殊的天体。其基本特征是有一个封闭的视界。任何东西,包括光在内,只要进入视界以内都会被吞噬掉。
黑洞的概念最早出现是1798年,当时拉普拉斯根据牛顿力学计算出,一个直径为太阳250倍而密度与地球一样的天体,其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体。
1939年,奥本海默根据广义相对论证明一个无压球体在自身引力作用下能坍缩到引径rg。
rg=2GM/(c*c)当天体的质量M大于临界质量Mc时,引力坍塌后就不可能达到任何的稳态,只能形成黑洞。黑洞只有三个特征量分别是质量M、角动量J和电荷Q。Q=0的黑洞为轴对称的克尔黑洞,J=Q=0时的黑洞为球对称的史瓦西黑洞。
1974年,霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射,称为黑洞的发射。黑洞的质量越大,温度越低,发射过程就越慢,反之亦然。
虫洞的出现,几乎何以说是和黑洞同时的。
虫洞在史瓦西解中第一次出现,是当物理学家们想到了白洞的时候。
他们通
过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空可以不是平坦的,而是弯曲的。在这种情
况下,我们会十分的发现,如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就
是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。
在不是平坦的宇宙时空中,这种结构
就以为着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一
个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。
而这个弯曲的视界,叫史瓦西喉,也
就是一种特定的虫洞。
虫洞的自然产生机制有两种:
其一,是黑洞的强大引力能;
其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯——梯林效应将黑洞周围的能层中的
时空撕开一些小口子。
这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些
十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在那里,
但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。
所谓黑洞就是一种引力场极强,就连光也无法逃脱出其控制的天体。当恒星衰老时,热核反应已将其核心的氢消耗殆尽,由此产生的能量也随之变少。此时,恒星内部也就没有足够的力量来支撑其外壳巨大的重量了,以致在外壳的重压下,核心开始坍缩,直至演化成体积很小、密度很大的新型星体后,才又重新能与压力达到平衡状态。
质量小的恒星演化成白矮星,质量大的恒星有可能形成中子星。
根据计算,中子星质量不可能大于太阳质量的三倍。
若超越了这一极限值,中子星内部的任何作用力都无法与其自身的重力抗衡,因此会引发进一步的坍缩。这次坍缩后,物质几乎集中到了一个点上,一个体积趋于零,密度无限大的点,即黑洞。在这一过程中,当星体的半径收缩至史瓦西半径时,形体产生的巨大引力将会使任何物质——包括光在内——都无法向外射出。
白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体。和黑洞类似,它也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只可以经边界向外运动,而不能反向运动,就是说白洞只向外部区域输出物质和能量,而不能吸收外部区域的任何物质和辐射。
球状白洞的几何边界也是以史瓦西半径为半径的球面。其外部时空由史瓦西度规描述。白洞是一个强引力源,其外部引力性质与黑洞相同。白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。白洞学说主要用来解释一些高能天体现象,有人认为,类星体的核心就可能是一个白洞。当白洞内中心奇点附近所聚集的超密态物质向外喷射时,就会同它周围的物质发生猛烈碰撞,而释放出巨大能量。
因此,有些剧烈的射电射线现象可能与白洞的这种效应有关。白洞目前还是一种理论模型,尚未被观测所证实。
而虫洞是一种宇宙隧道——宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道,虫洞是卡尔.萨根在他的一篇科幻小说里提出的以爱因斯坦的广义相对论为基础的一种时空隧道,又称爱因斯坦-罗森桥。
它靠负能量维持,半径略大于普朗克长度,且引力非常大,只允许亚原子粒子通过,它是由于空间扭曲而形成的,它可以使相隔甚远的地方瞬间到达。
以后虫洞则被泛指为时空隧道。
理论上,虫洞是一种多维空间隧道,是无处不在但转瞬即逝的。举个例子,当你把一张纸弯曲并使其两端接触时,纸上接触的两点之间在二维空间中本应有一段距离,而现在在三维空间中,由于二维空间的扭曲而连在了一起。与此类似,虫洞就是在高维空间中,三维空间发生扭曲,使得两个点之间通过“隧道”连在了一起。目前通过虫洞做时空旅行尚无法实现。
