科普资讯 您现在的位置: 广西科技馆 >> 科普资讯 >> 科普资讯 >> 文章正文

关于黑洞,你一定要知道的物理知识!

作者:新浪科技    文章来源:新浪网    点击数:    更新时间:2020-10-12

来源:中科院高能所

 

  2020年的诺贝尔物理学奖已经在十月六日揭晓,今年的诺贝尔奖并没有如普遍预测的一样颁给粒子物理或者凝聚态物理,而是颁给了对于宇宙中最黑暗的天体——黑洞的研究。罗杰·彭罗斯,赖因哈德·根策尔,安德烈娅·盖兹分享了这个奖项。

 

 

  黑洞是宇宙中最神奇也是最神秘的天体之一,人类对于黑洞的研究可以追溯到104年前,一位名叫施瓦西的的天文学家在计算时发现了一个爱因斯坦的广义相对论场方程的解,这个解表明,如果一个静态球对称星体的半径小于某一个特定值(史瓦西半径),这个星体就会存在一个边界,只要进入了这个边界,即使是光都无法逃出。美国物理学家约翰惠勒给这种不可思议的星体起了个名字——黑洞。

  

史瓦西

 

史瓦西半径表达式

 

  虽然黑洞的概念在100多年前已经被提出,但是我们直到2019年才首次通过事件视界望远镜一睹黑洞的真容。

 

人类历史上第一张黑洞照片人类历史上第一张黑洞照片

  今天我们就来跟大家一起聊聊关于黑洞,你一定要知道的知识。

 

  黑洞的诞生

 

  恒星是宇宙中的巨人,他们产生着巨大的引力,这种引力不仅影响着围绕它运动的行星,同样影响着恒星自身,在引力的作用下,恒星具有坍缩的趋势,不过恒星的内核不停进行的高强度核反应,核反应提供的辐射压和恒星自身的引力相互对抗,形成了一种平衡,不过这种平衡在恒星暮年开始被逐渐打破。在恒星暮年的时候,恒星内核的核燃料消耗殆尽,核反应不再能提供可以与引力对抗的辐射压,恒星就开始疯狂的坍缩,但是此时恒星距离黑洞还有一定的距离,想要变为黑洞,恒星还必须克服两大障碍——电子简并压与中子简并压。

 

  在微观世界,像电子中子这样的费米子都具有一定的自闭症,它们不愿意跟别的同种费米子共享同一个状态。如果两个电子空间距离很近,那他们速度差距就会很大,以保证它们不会在相近的距离内相处太久,如果两个电子速度很接近,那他们空间距离就应该相距很远,以保证它们不会碰到彼此,这就提供了一种同种费米子之间的相互排斥。这种特性是由物理学家泡利发现的,又称为泡利不相容原理。

 

 

  这种同种费米子之间相互嫌弃导致的简并压是恒星变为黑洞前最后的阻碍,对于质量小于钱德拉赛卡极限(1.44倍太阳质量)的恒星来说,电子简并压是扛得住的。

 

  对于质量小于奥本海默极限(约为2-3倍太阳质量)的恒星来说,中子简并压是可以顶得住的。

 

但是对于质量更大的恒星来说,电子简并压和中子简并压也无能为力了,在一场明亮华丽的超新星大爆发之后,黑洞诞生了。但是对于质量更大的恒星来说,电子简并压和中子简并压也无能为力了,在一场明亮华丽的超新星大爆发之后,黑洞诞生了。

  黑洞会死亡吗?

 

  黑洞的诞生标志着大质量恒星的死亡,但是黑洞是不是也会死亡呢?实际上确实很有可能,而黑洞的直接死因可能就是——霍金辐射。

 

  在介绍霍金辐射之前,我们需要先聊一聊量子场论中的真空的概念。大家或许经常听到一个说法叫真空不空,看似一无所有的真空实际上充斥着各种各样粒子的场,电子场,夸克场,希格斯玻色子场……,而基本粒子们则是各自的场所对应的激发态,正粒子对应正的频率,反粒子对应负的频率。在真空中,所有场都处在最低的能量状态,但是由时间能量不确定关系,在极短的时间内,场可能因为能量涨落而激发产生虚粒子,这种涨落通常是正负频率同时发生的,对应于一对儿正反粒子的产生。不过不用担心,这种方式产生的正反虚粒子对很快就会湮灭将能量重新还给真空,除非,这个过程发生在黑洞的视界附近。

 

  在之前我们提到,黑洞存在一个边界,一旦进入这个边界,即使是光也无法逃脱,这个边界被称为黑洞的事件视界,假如有一对儿正反虚粒子在黑洞的事件视界边缘产生,一个粒子在黑洞的视界内,一个粒子在黑洞的视界外,视界内的粒子由于黑洞强大的引力而被拉进黑洞,由于动量守恒定律,视界外的粒子则会朝着相反的地方飞去,从外界看起来,就像黑洞向外发出了辐射,这种辐射就是霍金辐射,但是正反虚粒子对本来应该湮灭将能量归还,可现在一个粒子带着能量自己飞走了,这份从真空中“借“出的能量总得有人去还,而这个将能量还给真空的角色只能由黑洞来扮演了。因此霍金辐射将会使黑洞损失能量,视界面积减小,最终黑洞将为自己的贪吃付出代价,彻底消失。

 

  霍金辐射有个非常有趣的特点,那就是越小的黑洞,霍金辐射越剧烈,相应的黑洞的寿命越短,越大的黑洞反而霍金辐射越弱,黑洞的寿命越长。譬如一个几倍太阳质量的黑洞其温度只有10-8K,而其寿命则比宇宙年龄还大1058倍。如果想在今天的宇宙中探测到霍金辐射,那么我们需要一个质量小于1012千克的黑洞。因此,霍金辐射这个想法虽然非常有趣,但是至今未能得到实验验证。所以即使霍金依然在世,恐怕也很难凭借霍金辐射获得今年的诺贝尔物理学奖。

 

  如何制造一个黑洞?

 

  黑洞诞生于恒星的死亡,但是难道只有恒星才能形成黑洞吗?理论