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【蒟蒻爵士的讲解教程】黑洞浅析

三年前我刚来编程猫没几个月的时候，经常有萌新询问：“什么是黑洞？”（包括我）。很多人的讲解并不很清楚.甚至萌新院的首要任务也是解答这个问题（雾

 

 

 

目录

 

·概说讲解核心知识点

·拓展扩充更多知识点

 

（注：为方便理解，本教程概说部分将核心知识点分条概括并解释）

 

 

 

概说

 

 

黑洞是一类天体。

1916年，德国物理学家史瓦西发现了黑洞，当时称之为“暗星”，即不发光的天体。

尽管如此，一个黑洞周围会有吸积盘，吸积盘是由于其吸引的弥散物质具有角动量产生离心力，从而围绕黑洞旋转。

 

【重点】一个中型黑洞是由恒星燃烧而成的。恒星最初的物质大多是氢，氢发生轻核聚变，从而形成氦元素。随着聚变，依次生成多个元素（自己查周期表），直至形成铁元素。铁元素极其稳定，发生重核裂变的能量不足以支撑自身的引力，从而发生二次塌缩。当密度极大而导致实际半径小于史瓦西半径的时候，黑洞就形成了。

 

 

黑洞的密度大到足以将光捕获，引力引起的时空扭曲使时间在此内终结。(1)

在黑洞内部，时空曲率大到可以将光捕获。

 

【重点】在未落入黑洞时，即使你非常接近事件视界，仍然有可能逃脱（假如你没有被潮汐力挤压、拉伸SPFA掉的话），只要在接近黑洞的时候选好角度，产生足够的离心力。如果这是个自旋黑洞，那么更好办。同样的，光子也会在事件视界附近的一个区域内不断受到离心力和引力而往返运动。随后，有些光子会落入黑洞，有些则会逃脱。

 

 

准确的说，黑洞指的是事件视界内部的区域。事件视界的大小就是史瓦西半径，在史瓦西半径内逃逸速度大于光速，时间被强大的时空扭曲所终结。

很多人认为在事件视界旁边也叫在黑洞里，其实不然。只有落入事件视界才叫进入黑洞，但是过一会我们会看到，黑洞外部不可能看见新的物质落入黑洞。

 

 

在事件视界内，斥力将抵抗不了引力，物质将无限塌缩，形成奇点。对奇点有多种模型表述，稍后再讲。

在史瓦西半径内，物质会不断向中心运动从而塌缩，密度也不断增大。在之前，没有人能描述这种体积变为无穷小的情况。然而现在我们有几种模型可以来描述。

 

 

越接近黑洞，时间流逝的越慢。因此对于外部参考系而言，不可能看到物质落入黑洞。由于在据事件视界无穷小距离之处，时间流逝的速率趋向于0（即无穷小量），物质看上去就像被压缩在了紧贴事件视界的二维平面内。(2)

 

【重点】由于越接近黑洞，时空曲率越大，所以在黑洞附近，时间流逝的速率会越来越慢。这就意味着我们绕着黑洞走了一圈，我们这个参考系可能只过了十几分钟，外部已经过了几年甚至更久，因为两个参考系在空间维和时间维方向上所行过的路程不同。这和运动速度极快时动质量变得极大从而时间流逝变慢是一个道理。

 

 

落入黑洞之后，人不可能存活。（星际穿越是个例外，因为他们落入的是温和的下落奇点(3)，并且直接掉进超立方体(4)）

黑洞的潮汐力足以将任何东西撕碎。

 

 

由于没有物体的速度能确定地超过光速(5)，因此没有东西能逃出黑洞（除了霍金辐射，因为那是不确定的）

在事件视界内部，所有东西都会走向奇点。

 

 

事实上，黑洞并不是不向外界辐射任何东西。量子力学的不确定性引起了霍金辐射。

【重点】霍金辐射是由于在黑洞的事件视界边界的平面上，部分由于量子涨落形成的虚粒子对，具有超对称性从而负能量粒子被吸入而正能量粒子逃脱的现象。这带走黑洞的能量，从而使黑洞的质量减小。因此，黑洞并不是全“黑”的。

 

 

白洞不一定存在，和黑洞只是性质相反，并没有位置上的关联。

因为白洞如果在黑洞的另一端，并且喷出黑洞吸入的东西，则它是一个特殊的虫洞。然而在黑洞附近的虫洞都会形成时间圈环，继而在形成的同时瞬间被能量暴摧毁。

 

 

黑洞大大减弱了人们的预言能力，甚至比不确定性发现时减弱的还要多。

 

【重点】不确定性规定，我们只能确定一个物质的速度或者位置，不可兼而有之。但是我们只要知道每一个粒子的波函数，我们仍然能做到原先预言的一般的效果。但是黑洞可以将粒子吸入，从而使我们不知道它的波函数，因此也影响到了黑洞外部的物质的波函数。如果霍金辐射能复原一切信息，那么做出一半的预言还是有可能的。

 

 

 

拓展

 

 

黑洞的超弦理论模型

 

该模型认为，黑洞吸入物质后，该物质的弦会打到一层膜上，在这层膜上激起一层波，这层波记录了所有信息。随后波动使膜破裂，这层膜射出一些弦，也就是霍金辐射。由于波记录了所有信息，所以信息量并没有减少。

（这里的膜是弦的扩展，因为弦是接近于一维的，而膜不一定）

 

 

注释

 

（1）“终结”一次出自史蒂芬·霍金的《果壳中的宇宙》

（2）有关全息原理，可以参阅史蒂芬·霍金的《果壳中的宇宙》

（3）下落奇点是物质吸入黑洞（落入黑洞的参考系）后被挤压形成的，较为温和。同样还有外飞奇点，参阅《星际穿越》（基普·索恩）

（4）超立方体是四维空间内的立方体，应区别于四维时空。

（5）动质量方程 m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)

 

 

参考文献

 

《果壳中的宇宙》（史蒂芬·霍金）

《星际穿越》（基普·索恩）