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宙终极之谜:黑洞的一生

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    2016-4-27 09:49
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    [LV.3]偶尔看看II

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    发表于 2016-2-1 16:55:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

    黑洞是世间最奇怪的东西之一。它们似乎看起来完全不科学,它们来自哪里呢?还有如果你掉入黑洞之中会怎样呢?

    这一切都要从恒星说起。恒星是巨量氢原子的集合体,它们在自身引力作用下从巨大的气体星云坍缩而来。在其核心,氢原子通过核聚变形成氦,同时释放出巨大的能量。这种以辐射形式的能量可抵抗重力,使两股力量之间保持一种微妙的平衡。只要在核心有核聚变,一颗恒星就可保持足够稳定。

    但对于比我们太阳的质量更大的恒星而言,其核心的热量和压力可让它们通过核聚变合成重元素,直到合成铁元素为止。不像之前的所有元素那样,形成铁的核聚变过程不产生任何能量。铁在恒星的核心逐渐形成,直到它达到临界量,辐射和重力之间的平衡就突然被破坏了。

    核心就会坍塌,在几分之一秒的时间内,恒星内爆,其内爆的速度达到光速的四分之一,给核心输送了更多的质量。此时此刻,形成了宇宙中的各种重元素,恒星在超新星爆炸中凋亡。这个过程会产生中子星,或者如果恒星足够大的话,核心的全部质量会坍缩成一个黑洞。

    如果你看到一个黑洞,你实际上只会看到事件视界。任何穿过事件视界的东西,需要以比光速更快的速度才能逃离。换言之,这是不可能的。所以我们只能看到一个黑球,不会反射任何东西。但如果事件视界是指“黑”的部分,那么,黑洞的“洞”的那一部分是什么呢?

    那就是奇点。我们不确定它到底是什么。一个奇点可能有着无限的密度,这意味着它的所有质量都集中于一个在空间中没有表面或体积的单点,或者是完全不同的东西。现在,我们只是不知道,这就像除以零的错误一样。顺便说一下,黑洞不是像吸尘器一样只会吸收东西。如果我们把太阳换成同样质量的黑洞,对于地球而言没啥变化。当然,是除了我们会冻死。

    如果你掉进一个黑洞之中会发生什么事情呢?这与围绕在黑洞周围的经历不同。从外面看来,当你靠近事件视界,你似乎慢了下来,所以你那里的时间流逝变慢。在某种程度上,你会看起来像冻结于时间之中,慢慢地变红,然后消失。而从你的角度来看,你能以快进的方式看到宇宙的其余部分,就像看到未来一样。

    现在,我们还不知道接下来会发生什么。但认为结果可能是这两种情况。

    其一:你很快就会挂掉。黑洞会大幅度弯曲空间,一旦你越过事件视界,只有一个可能的方向。你可以按这个字面意思理解:处于事件视界之中,你只能沿一个方向前进。就像在一个非常狭窄的小巷,你每往前走一步身后的路就消失。黑洞的质量非常之集中,在某种程度上,甚至仅很小的几厘米的距离,就意味着重力在你身体不同的部位作用了差距数百万倍的力量。随着你的身体被越拉越长,你的细胞会被撕裂,直到你变为只有一个原子宽的热等离子体流。

    其二:你非常快就会挂掉。在穿过事件视界之后,很快你将会撞上一堵火墙,一瞬间就会挂掉。这两种结果都不是特别讨人喜欢。

    多久你会挂掉取决于黑洞的质量。一个较小的黑洞甚至会在你进入事件视界之前就置你于死地,虽然你也可能会在一个超大质量黑洞之中旅行相当长的一段时间。作为一个经验法则,你越远离奇点,活得就越久。

    银河系中心的超大黑洞人马座A*

    黑洞的大小各异。有那种恒星级质量的黑洞,是太阳质量的几倍,而直径为小行星的大小。也有超大质量黑洞,它们在每个星系的中心都能发现,已经肆虐吞噬了数十亿年。目前,已知的最大的超大质量黑洞是S5 0014+81,是太阳质量的400亿倍,它的直径为2367亿千米,这是太阳到冥王星距离的47倍。

    黑洞通过霍金辐射蒸发掉

    即便黑洞如何强大,但它们最终也会通过被称为霍金辐射的这一过程蒸发掉。要理解这是怎么回事,我们需要着眼于真空。真空并不是空的,而是充满了虚粒子,瞬间凭空产生一对正反虚粒子,并又互相湮灭。当这种情况发生在黑洞边缘之时,其中一部分的虚拟粒子会落入黑洞,另一部份将会逃离并变成实粒子。所以黑洞正在失去能量。

    这个过程起初发生得非常缓慢,当黑洞变得越来越小时则越来越快。当它质量减少到如大型小行星一般时,它会发射出室温温度的热辐射;当它质量只有一座山的大小时,它会发射出同太阳一样温度的热辐射。而在它生命的最后一秒,黑洞变成辐射蒸发掉了,其中会伴随着数十亿倍核弹爆炸的能量。

    但这个过程非常地缓慢。目前已知最大的黑洞要花上10^100年才会蒸发掉。这久到当最后一个黑洞蒸发时,没人可以亲眼见证到。远在这发生之前宇宙就会变得不适合居住。


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