现在的世界学界,又让黑洞成了新宠。这是从它极强的引力效应中验证到的。
1916年,爱因斯坦建立了他的广义相对论。实质上,这是一种新的引力理论,其时极为颤动。能够毫不夸大地说,现代物质文明,是建立在两大物理理论——相对论和量子理学——基础上的。
就在广义相对论宣布几个月后,德国地理学家卡尔·史瓦西对爱因斯坦的方程做出一个解,得出了黑洞这一古怪的天体。听说,爱因斯坦适当为难,他供认史瓦西的解正确无误,却不信任黑洞的实在存在。
史瓦西的黑洞,结构很简略,由一个奇点和视界组成,视界是一个包围着奇点的球面,而奇点即为这个球体的中心。它有极强的引力,致使任何东西(包含光)一旦落入视界,就永久无法逃出。就这样,视界跟世界的其余部分彻底分隔。任何事物落入黑洞,就永久消失。世界学界之所以宠爱黑洞,是由于世界的创生大爆破源于一个奇点,理论家只能在理论上追溯世界的起点。当今黑洞中有着现成的奇点,不是正好成为最佳的样本吗?
按现在恒星演化的理论,例如太阳(也即恒星中的主序星),它出生于46亿年前,大约还能再活上50亿年。到时它将平静地“死”去,留下一颗密实(达109克/厘米3至1011克/厘米3)的星核。地理界把这种天体称为白矮星,其表面温度达几十万摄氏度。
天上的星星,肉眼看上去都是一个个的小点,其实有的星球体积可达太阳的20倍,乃至100倍。就拿体积20倍于太阳的星球来说,其逝世(即星球内部核燃料耗尽)时又是怎样的?此刻,这颗巨星的星核在引力的效果下不断向内揉捏,一块喜马拉雅山巨细的铁块一下被揉捏成一颗沙粒巨细,温度升高到1000亿摄氏度。原子皆碎裂成电子、质子、中子,直至轻子、夸克、胶子。这样一向下去,越来越小、越密实,直到无人知道的程度。此刻,这个天体就变成了一个黑洞。
不过,史瓦西的黑洞自提出以来一向被以为是科学珍闻,不为科学界真实承受。直到1967年美国物理学家J.惠勒对黑洞做了较为体系的论说,才使它成了响名。就在这个时期,有关黑洞的思维有了很大的改变,这首要得益于新的观测技能。在地理观测上,曩昔一向局限于可见光,至20世纪60年代,X射线望远镜和射电望远镜开端被大范围的使用,这就使得地理学家看到了曩昔看不到的地理现象。
这儿还要简略地介绍一下霍金。这位带着病痛的年青物理学家,提出了黑洞不黑的理论。简略说来,黑洞内部的物质可通过量子论中的掉落效应逃离黑洞。霍金自此一炮打响,闻名于世。尔后,黑洞的性质得到进一步开掘。
通过一代人的尽力,黑洞总算变成广为承受的思维。现在以为,黑洞在世界中适当遍及,或许有几十亿个。
尤其是一些超巨型黑洞,它们对世界的演化明显起着及其重要的效果。首要,大多数星系的中心都有这种黑洞。例如,在银河系中心就躲藏着一个超巨型黑洞,其质量估量为450万个太阳。咱们
称之为人马座A*,距咱们26 000光年。它是一个安静的黑洞,但没有人能确保它会一向安静下去。据地理界调查,人马座A*开端有食欲了,它现在正拉着一块气体云G2以每秒2880千米的速度向它奔去,不到1年的时刻,G2将挨近其视界。
现在有关的地理组织都繁忙起来,正如哈格得(英国西北大学)所说:“这或许是咱们了解黑洞吞食的最佳时机,由于它离咱们较近。”他们已将最新型的仪器对准人马座A*,那是美国航空航天局(NASA)的核光谱望远镜阵列(Nu SATR)。它于2012年升空,能测到高能X射线辐射,即回旋扭转在黑洞边际的高温气体宣布的剧烈辐射。早在2014年,它勘探到来自人马座A*的迸发,那或许是回旋扭转着的气体穿过磁场时宣布的极亮堂的亮光,或者是有或许发作一条细长的能量射流。
在曩昔的10年中,还有两颗X射线卫星一向重视着银心。哈格得说:“咱们从这些观测回溯曩昔,然后得知在最近的100年前,有一个甚强辐射来自人马座A*。”现在还说不清其原因,由于望远镜的分辨率还不行。
了解黑洞的行为有助于咱们知悉世界的结构。向黑洞快速飞去的物质,必然发作很多的摩擦热;黑洞还自转着,这绝大多数都是一个空间的旋涡。摩擦热跟自转相结合,就导致很多物质落入黑洞。
吸积盘中的高温物质构成喷流,猛向空间射去,以近光速脱离黑洞。这种喷流往往长数百万光年,垂直地穿越一个星系。从另一方面来说,黑洞拌和了星系中心的老星球,并将这一进程发作的热气体远送到星系的外围区域,它们逐步冷却、凝集,终究发作新的星球。这一进程能够使星系永久坚持生机。
还有两个问题也值得一提。人们往往以为黑洞的引力强度是无限的,其实不然。一个黑洞的真空能绝不或许大于一般的星球,它应该具有跟其质量相对应的引力。假如咱们的太阳忽然变成黑洞,它将坚持相同的质量,而其直径将缩短至6.4千米,地球将变得漆黑而冰冷,但它的绕日轨迹仍旧不变。这个太阳黑洞仍跟曩昔(全规范)相同,以相同的引力捉住地球。
第二个问题是时刻与黑洞的联系。就如爱因斯坦陈说的那样,时刻也遭到引力的影响。若你将一台时钟置于楼房每一层的地板上,你将看到它们的走时速率是不同的。在较低的楼层(即较挨近地心)引力较强一点,故钟的走时较慢。但是没有人发觉,由于这个不同太小了,仅为10-9秒。
若有人走近人马座A*的视界,只需他不穿曩昔,那么他在那里待的1分钟,在地球上将是1000年。这很难令人信任,但科学家坚信如此,这便是引力战胜了时刻。
若你穿越了视界,又将会怎样呢?在视界外面的某位调查者看来,你没有掉进去,而是待在视界边上,且一向如此。
那么进入黑洞后,你自己又将感到什么呢?人马座A*很大,从奇点至视界足有1300万千米。当你跳过视界,有或许此刻会呈现火墙(量子论的观点),它从里边一向延伸到视界的上方,无疑你将被焚毁。
但相对论预言,当你跳过视界时什么事也不会发作;实际上,你仅仅丢掉了世界的其余部分,你还全部无缺。黑洞很深,但它有底,不过你无法活着看到这个底。跟着你向中心(即奇点)的落入,引力越来越强。若你的脚先进入黑洞,你将感到脚上遭到的引力比头部强,越是深化,二者之间的差异越大。终究你将被撕裂。物理学家把这一进程称为面条化。
迄今,黑洞中心(奇点)仍是一个谜,在这个极点的当地,相对论和量子论皆失掉效能。它被幻想成极小之点,即便扩大亿万倍仍是难以看到,却重得难以幻想。科学界信任其存在,但是不知道其内部是什么。
从恒星演化到黑洞,已无法再演化了,但是怎样没有看到中子星的呈现?是的,现在要追加一段新的发现和创见。
早在2012年11月22日,地理学家在离咱们8400万光年处,调查到了一个超新星迸发(SN 2009ip)。但是,这一天体在几个星期前现已发作过超新星迸发,而一个天体不或许接连发作超新星迸发。因而,人们大惑不解。
加拿大卡尔加里大学的乌依得(R.Ouyed)却泰然自若。他以为,这不是超新星迸发,而是一种更古怪的地理现象,标志着一颗夸克星的强烈诞生。这是一个世界怪物,之前仅呈现于一些物理学家的方程中。现在,它实在地存在于世界的原野上。
这一地理事情的含义巨大。它或许有助于处理一些奥秘问题,比如伽马射线暴、重元素在世界中的构成,它还或许使咱们更好地了解物质的底子结构。
早在1984年,理论物理学家惠顿(E.Witten)首要对夸克星做出了论说。他以为,质子和中子并不是最安稳的形状,它们由更小的实体组成,即夸克,共有六种。这儿将谈及三种(即上、下和奇特夸克)。惠顿以为,夸克具有较低的净能量,因而非常安稳。
当一颗比太阳重得多的星球耗尽燃料时,其内核就会爆破,它的外层将被射向空间,最终留下的是一颗中子星。从姓名就能够知道,该星首要由中子组成,带着一个铁质的星壳飞快地自转着,发作很强的磁场。这就使它耗费能量,越转越慢,致使控制引力的离心力开端削弱,引力就进一步揉捏星球物质。
一个瞬间,中子物质就变成了夸克。它们是一团上、下和奇特夸克的浓汤。按理说,这种现象是很少发作的。但在中子星那样高密、高温的条件下,总算发作了夸克星。
乌依得说,依据他们的模仿,这一改变(中子物质到夸克)是一个非常剧烈的进程,星球的内核变得难以置信的密实,并呈现反弹,发作冲击波,这跟超新星的迸发进程非常相似。SN 2009ip于2016年8月初榜首次大迸发,但40多天后,又发作大闪耀。乌依得等信任,他们目睹了夸克星的发作。
他们都以为,在夸克星中,夸克能自由地处于高密度和低温的条件中,而不是像处在质子中那样被捆绑在一起。
一些物理学家说,若夸克星的确存在,那么它将是独有的天体物理试验室,有助于咱们了解物质的底子性质,而这正是世界学家勘探创生大爆破奇点的一个重要意图。
虽然黑洞中的这个奇点现在仍是一个谜,但科学界仍然高歌猛进,他们转向人类本身的才智。你还记得吗?早在2013年欧洲核子研究所的大型强子对撞机(LHC)在试验室中找到了希格斯粒子,这是科学家希格斯早就预言过的粒子,正是它赋予物质以质量。现在,欧洲核子研究所的科学家雄心壮志,他们已对LHC进行了大规模的改装、晋级,使之大起伏地进步磕碰能量。
他们让高速飞驰的质子迎面相碰,此刻发作的能量高达8×106兆电子伏特,质子全被碰碎,在很多碎片中,他们总算找到了希格斯粒子。在大自然中,该粒子呈现在世界创生大爆破后的10-12秒。而到2015年,改装后的LHC将发作109兆电子伏特的能量,远没有到达万有理论(即电磁力,强、弱力和引力)的能量。更多的物理学家以为,现在世界学的规范模型仅仅一个更大理论的组成部分,该理论将把四种力一致起来,并使咱们了解各个能量规范上的物质特性。这个万有理论对应的能量,应该在1018兆电子伏特或更高,呈现在大爆破后的10-36秒内。因而,原始物质究竟是何种容貌,没有人能答复,乃至猜测都很困难。按现在的理论,电子、夸克、中微子是不可分的。而按量子理论学家普朗克告知咱们的,最小的空间距离为10-33厘米,这要比电子等底子粒子小得多!
虽然晋级版的LHC的能量离原初世界还很远,但物理学家仍是很振奋,他们等待新的磕碰试验,等待看到一些意外的现象。咱们跟他们相同,只能等待。