浅谈对黑洞的理解

浅谈对黑洞的理解

物理与人类文明期末大作业

论文题目：浅谈对黑洞的理解

学院：管理学院

班级：工商122

姓名：张文姣

学号：1207010233

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浅谈对黑洞的理解

：本文介绍了有关黑洞的一些问题,包括黑洞的起源、形成，处于时间

摘要

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。同时还介绍了一些对黑洞的误区；现在引发出对黑洞是否存在提出了怀

疑。虽然现在我们对黑洞的认识很大程度上是在一定的猜想上进行的，但是终有

一天人类会解开黑洞之谜。黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。

关键字

：黑洞，黑洞理解误区，是否存在黑洞

一、黑洞的含义

黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到

一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。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。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过

测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无

法摆脱的境遇。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外

来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。

二、黑洞的形成

要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解：

众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。同时

恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当

这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。但是，由于热核反映能量逐渐消

耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星

发生塌缩。原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。这时电子

之间的 斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，

导致塌缩的密度是非常大的。

1. 白矮星的形成

由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，

核内高温使物质发生电离。星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理。

物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态。即两个相同的自旋为1/2

的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中

产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。由

泡利不相容原理产生的斥力就有上限。经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，

称为钱德拉卡极限。当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全

抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。

2 .中子星的形成

Mm

根据万有引力公式公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强，

FG

引

2

R

对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳

质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温

度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微

子，使得星体内部存在大量中子。中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，

称为中子简并压。经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。

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当恒星的质量大于钱德拉卡极限而小于奥本海默极限时，从而形成中子星。

[2]

3. 黑洞的形成

如果恒星的质量超过奥本海默极限，则没有任何力量能够抵制住强大的引

力，星体将塌缩到自身的引力半径之内，从而形成黑洞。

从超新星爆发的角度来看，星体塌缩是一种非常猛烈的过程，爆炸崩掉恒星

的外壳，同时产生指向星体中心的巨大压力，使星体的中心部分形成黑洞。

除去恒星塌缩以外，形成黑洞还有其他途径。例如，在星系的中心聚集着亿

万颗太阳和 别的物质，在演化过程中很可能发生物质收缩和恒星之间的碰撞，

从而形成巨大质量的星级黑洞。

三、黑洞真的存在吗？

“黑洞”是从预言产生的理论，如果不能证实其存在的真实性，理论就成了

“无源之水”，关于黑洞存在的理论预言建立在以下几点根据上：

（1）：自然界没有任何力量可以支撑质量为太阳质量3倍以上的“冷”物质

（所谓“冷”物质是指停止核反应的物质）以常规方式存在（所谓的常规方式是

指原子、分子形式存在的方式）。

（2）：许多已经观测的热恒星的质量远远超过太阳质量3倍以上。

（3）：科学家已经根据中子星的脉冲辐射观测到了中子星，随着时间的推移，

中子星可以继续塌缩。

（4）：大恒星消耗核燃料并且经历了阴历塌缩的时间一般为几百万年，而银

河系已经有100亿的高龄，因而在银河系里产生黑洞的年龄条件是成熟的 。

基于以上几点，我们可大胆而理智的预言黑洞的存在是真实的。

四、黑洞的误区

1．黑洞不是“黑球”

当黑洞自转的时候，黑洞的视界之外就会产生一个被称为能层的椭球形区

域。这就像地球自转会造成赤道部分比两极部分凸出一样。一旦进入能层和视界

之间，物质就无法静止了，空间将被黑洞拖拽着，沿着黑洞自转的方向运动。而

在能层的内部，空间运动的速度会超过光速。按照爱因斯坦的相对论，虽然物质

不可能运动的如此之快，但空间本身却可以。另一个有名的例子是宇宙大爆炸，

当宇宙产生的那一刹那，空间急剧膨胀，超过了光速。

另外，虽然黑洞没有光，但是它看上去并不是黑的。因为体积小，所以

很少有物质会正好掉入黑洞，它们会被它吸引，绕着它旋转。这些物质越来越多，

会形成一个围绕黑洞告诉转动得盘。由于黑洞的引力随着距离而变化，因此靠近

黑洞的物质的速度要远远超出外围的，它们的相对运动就会导致剧烈的摩擦，是

物质被加热到数百万以上的温度。于是黑洞附近的物质盘会发出极为明亮的辐

射。锦上添花的是，磁场会驱动物质从中心向垂直与潘德两侧喷出。这两条喷流

在几百万甚至十数亿光年之外都能被看见。连光都无法从黑洞中逃逸 ，黑洞却

会因这些物质成为宇宙中最“明亮”的天体。

2．黑洞如空气

随着物质的增大，黑洞的视界也会变大。物理法则告诉我们，黑洞视界的半

径和它的质量成正比。也就是说，如果黑洞的质量.增加到原来的2倍，其视界

的半径也会增加到2倍，它的体积就会增加为原来的8倍。接下来我们可以用计

算的魔术把黑洞和空气联系在一起：一个普通的黑洞，它的质量通常为太阳的3

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倍，视界半径为9千米，此外它的密度为每立方厘米2000万亿克。如果把你的

质量翻一倍，其密度就会减少到原来的1/4:；质量增大10倍，密度就会减少为

原来的1/100.对于一个星系团中常见的10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言，

它的密度自由每立方厘米0.001克，和地球空气密度一样。

五、黑洞的种类

按照习惯的分法，可以将黑洞分为“施瓦西”黑洞、“莱斯纳”黑洞、“克尔”

黑洞。

“施瓦西”黑洞质量呈对称分布的强引力场，但不旋转、无角动量、不带电

2GM

荷。视界半径与区域内质量的关系为：。

r

2

C

“莱斯纳”黑洞也是质量呈对称分布的强引力场，引力源静止，有质量M，

1

也有电荷Q，其引力半径为：。

rGMGMGQ

k

2



2222



c

“克尔”黑洞描述的是质量呈轴对称分布的强引力场，它旋转、具有角动

量，但没有电荷。“克尔”黑洞的大小与形状依赖旋转速度，其视界半径为：

1

rGMGML

k

2



222

，其中L为单位质量的角动量。



C

六、分析总结

游览了“宇宙黑洞”相关知识，其实黑洞跟我们人类心系相关的。值得我们关

注。未来的我们会对黑洞回进一步的研究了解。不但开阔视野，而且我们获得了

一些宇宙知识。

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