黑洞的能量

黑洞的能量
黑洞的能量

黑洞的能量
黑洞可能占宇宙能量之半
科学家发表的一篇报告中指出,黑洞这种看不见的宇宙坟场所释放的能量可能高达宇宙诞生以来所有总量总和的一半,但这项理论尚须进一步的验证.
多年来,天文学家早已猜测黑洞会辐射能量,但其量无法与恒星相比.根据最新的研究发现其实黑洞所辐射的能量可与恒星相匹敌.
正在义大利主持一项 X-ray 天文学会议的 NASA 哥达德太空飞行中心科学家 Nicholas White 表示,如果以可见光的宇宙来看,似乎宇宙中大部分能量都来自恒星,但新的研究发现,隐藏在尘埃与气体背后的辐射能量也相当巨大,而这些能量可能来自黑洞.由於黑洞是一种无法看见的星体,因此科学界原本对它的猜测颇多,但近年来在观测技术的大幅的进步下,黑洞之存在已不容置疑,而它的辐射大部分都在 X-ray 〖围.
黑洞的种类也相当多,与会的天文学家 Fabian 表示,超巨质量黑洞可达太阳质量的一百万、甚至十亿倍,但体积却只有太阳系大小,当气体被吸进黑洞时,会达到极高的速度并产生巨大的能量.从这些高温、高速气体所辐射出来的巨大能量,波长〖围涵盖可见光至 X-rays,但其可见光辐射直到最近才被观测到.
新的 X-ray 观测仪器,包括詹德拉望远镜,未来都将能验证这项理论的正确性.与会的科学家 Maran 表示,黑洞的辐射究竟是否有这麽多,关键就在於超巨质量黑洞到底只是虚构星体或是真正存在而定.
人类对宇宙知道多少呢?黑洞到底是什么呢?有人说是空间隧道,黑色,总是让人感觉恐惧,神秘.

洞能

黑洞的能量很大

“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...

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“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。
黑洞
黑洞是引力极强的地方，没有任何东西能从该处逃逸，甚至光线也不例外。黑洞可从大质量恒星的“死亡”中产生，当一颗大质量恒星耗尽其内部的核燃料而抵达其演化末态时，恒星就变成不稳定的并发生引力坍缩，死亡恒星的物质的重量会猛烈地沿四面八方向内挤压，当引力大到无任何其他排斥力相对抗时，就把恒星压成一个称为“奇点”的孤立点。
有关黑洞结构的细节可用爱因斯坦解释引力使空间弯曲和时钟变慢的广义相对论来计算，奇点是黑洞的中心，在它周围引力极强，通常把黑洞的表面称为视界，或叫事件地平，或者叫做“静止球状黑洞的史瓦西半径”，它是那些能够和遥远事件相通的时空事件和那些因信号被强引力场捕获而不能传出去的时空事件之间的边界。在事件地平之下，逃逸速度大于光速。这是人类尚未观察证实的天体现象，但它被霍金等一些理论天文学家在数学模型方面研究的相当完善。
2004年7月21日，在爱尔兰首都都柏林举行的“第十七届国际广义相对论和万有引力”大会(GR17大会)上，《时间简史》的作者、英国剑桥大学富有传奇色彩的理论物理学家史蒂芬·霍金，向来自世界各地齐聚一堂的科学家和记者宣布，他解决了物理学中重要的一个问题：黑洞究竟有没有破坏被其吞噬的信息。
大会上，霍金演讲了他的最新发现，他宣告推翻了自己若干年前建立的著名黑洞理论，并重新讨论了信息守恒的问题。
“30年来，这个一直困扰着我的问题终于得到解决，这真是太好了，”霍金在演讲中这样说道。他的有关论文将在近日发表，他将在论文中进一步阐释他的新理论。
黑洞不破坏因果律，不再可能帮我们通向其它的宇宙
史蒂芬·霍金的讲话在整个物理界掀起了轩然大波。加拿大滑铁卢大学物理系主任罗伯特·曼博士，与在会的其他800名物理学家一起听取了霍金的演讲。
“听完他的讲话后，几乎无人能够理解他所说的内容，大概只有霍金自己明白这些东西。”罗伯特·曼这样评价这场天才的演讲。它让人联想到当年“全世界只有3个人理解相对论”的情形。
罗伯特·曼尽量用生动、浅显的语言来解释霍金理论的前后不同。
“40年前，人们开始认真思考黑洞，认为外人(黑洞外的观测者)能够获得黑洞仅有的信息就是质量、电荷、角动量，这意味着，如果你用任何一种物质来做成黑洞，比如压碎的听装啤酒瓶、压扁的恒星、还是其它什么，外人都无法分辨出黑洞里面到底是什么东西。”
“霍金30年前的理论认为，从量子力学的角度来考虑，黑洞能够辐射(即著名的霍金辐射)。由于量子作用，啤酒黑洞物质、恒星黑洞物质等都开始辐射，开始蒸腾、四溢。问题在于，霍金原先的计算显示了蒸腾完全属于热效应，这就意味着它不应该包含任何信息——即啤酒黑洞物质和恒星黑洞物质的辐射没有任何差别。所以，当黑洞变得越来越小，最后蒸发到没有时，就意味着已经丢失了全部信息。并且，到了变化的末端，已经无法复原那些信息。”
这种理论从诞生之初就遇到了麻烦：它同很多科学家坚持的“信息守恒定律”互为矛盾。这一度被人们称为“黑洞悖论”。
如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样，20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立，那么“信息守恒定律”无疑将成为科学界最为重要的定律，也许比物质、能量守恒定律的意义更为深远。霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是“信息”在黑洞中是否能够保存、守恒。
罗伯特·曼介绍说，大多数的物理学家都认为，任何信息都不能被破坏，否则将违背因果律，“出于对因果关系的深信不疑，在给出初始条件的情况下，物理学的工作就是通过过去预知未来。”这意味着，如果信息被破坏了——如同霍金30年前的理论所说，未来就根本无法通过信息来预知。
30年间霍金坚持：“信息守恒定律”在黑洞里失效。“在黑洞里，信息确实丢失了。如果它丢失了，它会进入另外一个空间，这个空间称作婴儿宇宙，顾名思义，婴儿宇宙来自我们的这个宇宙。”
但现在霍金宣布，他使用欧氏路线积分数学方法，证明出新的答案——信息进入黑洞之后并未被破坏掉，“如果你进入一个黑洞，你所承载的物质和能量将被返回我们的宇宙……它已经被撕裂，但包含了所有你的信息，只是不再被我们轻易辨识。”
“新的理论经过进一步推测还将得到另一个结论：它意味着，黑洞不再可能帮我们通向其它的宇宙，或者通向我们宇宙的其他角落——这是霍金以前提出来的说法。”罗伯特·曼说。
“我很抱歉，我让科幻爱好者们失望了。”霍金在演讲中这样说。
霍金愿赌服输，胜者兴味索然
对于霍金宣告自己原先的黑洞理论“突然死亡”一事，他在剑桥大学的同事加里·吉本斯认为，这件事的发生真是让物理学家“大跌眼镜”，“要知道霍金做学问的方式是相当戏剧化的：他会提出一条理论，并且在它被其他更好的论证推翻之前，一直坚持到底。”
洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。
因为黑洞是不可见的，所以有人一直置疑，黑洞是否真的存在。如果真的存在，它们到底在哪里？
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样
为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。
让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但我们可以尽力去想象）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。
爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。
同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。
如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方 ，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。
现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。
现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。
我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。
处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。1969年，美国物理学家约翰 阿提 惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。
我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞，也就是说，黑洞可能并没有想象中那样黑。
霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。
霍金还指出，黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸，一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言，看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。
所以，引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”，它实际上还发散出大量的光子。
根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。
但你不要满怀期望地抬起头，以为会看到一场烟花表演。事实上，黑洞爆炸后，释放的能量非常大，很有可能对身体是有害的。而且，能量释放的时间也非常长，有的会超过100亿至200亿年，比我们宇宙的历史还长，而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间.
近日国际天文学家通过美国宇航局斯皮策太空望远镜的一项最新观测结果，在宇宙中某一狭窄区域范围内，首次同时发现了多达21处却一直深度隐藏着的宇宙“类星体”黑洞群。
这一重大发现第一次从正面证实了多年来天文学领域有关宇宙中有数目众多的隐身黑洞广泛存在的推测。充分的证据使人们相信，在浩瀚的宇宙中，的确充满着各种各样未被发
现的巨大引力源泉--"类星体"黑洞群体。有关该项最新发现的详细内容，研究人员已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》杂志中。
“深藏不露”的类星体
我们知道在现实中的宇宙黑洞，由于其巨大的引力作用，连光线都被紧密吸引束缚，因而无法被人们直接观测发现。为确定黑洞天体存在的证据，天文学家通过研究发现，在黑洞周围的物质行为具有其特定行为：在黑洞周围的宇宙空间中，气体物质具有超高的温度，并且在被黑洞强大引力场吸引剧烈加速后，这些物质在彻底消失之前均会被提升到接近光速。而当气体物质被黑洞彻底吞噬后，整个过程都会释放出大量的X-射线。通常正是这些逃逸出来的X-射线，显示出此处有黑洞确实存在的迹象。这便是以往人们发现黑洞的最直接证据。
而另一方面，在一些格外活跃的超大型宇宙黑洞周围，由于其对周边物质剧烈的吸引和吞噬行为，还会在黑洞星体外围产生一层厚重的宇宙气体和尘埃云层，这便进一步增大了对黑洞体附近区域的观测难度，阻碍了天文学家对这些超大黑洞存在的发现工作。天文学上将这些极度活跃的黑洞定义为"类星体"。普通情况下，一个类星体平均一年总共吞噬的物质质量，相当于1000个中等恒星质量的总和。一般情况下，这些类星体距离太阳系都非常遥远，当我们观测到他们时已经是亿万年以后的现在，这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期。科学家推定，这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系前身，所以将其命名为"类星体"。
到目前为止，只有为数不多的几个"类星体"黑洞被发现，在浩瀚的宇宙深处，是否还有数量众多的其它类星体存在，仍有待人们进一步去发现，而天文学家在该领域的研究工作则完全依靠对宇宙内部X-射线的全面观测研究来予以证实。
“充满”了黑洞的宇宙
近日，来自英国牛津大学的阿里耶-马丁内兹-圣辛格教授在介绍其首次对宇宙间隐藏黑洞的发现时说，"从以往对宇宙X-射线的观察研究中，本希望能找到宇宙中大量隐藏类星体存在的证据，但结果确都不尽如人意，令人失望。"而近日根据美国宇航局NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的最新观察结果，天文学家则成功穿透了遮蔽类星体黑洞的外围宇宙尘埃云层，捕捉到了其中一直暗藏不露的内部黑洞体。由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能穿透宇宙尘埃层的红外光线，使得研究人员顺利地在一个非常狭窄的宇宙空间区域内，同时发现了数量多达21个早已存在却又"隐藏不露"的类星体黑洞群。
来自美国加州理工大学斯皮策科学中心的研究小组成员马克-雷斯在接受媒体访问时同时也表示，“如果我们抛开此次发现的21个宇宙类星体黑洞，放眼宇宙中的其它任何区域，我们完全可以大胆预测，必将有数量众多隐藏着的黑洞将会被陆续发现。这意味着，一如我们原先推测的那样，在不为人知的宇宙深处，一定有数量众多、质量超大的黑洞巨无霸，正借助着星际尘埃的隐蔽，在暗地里不断发展壮大着。”

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