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1、廣義相對論預言了黑洞黑洞是廣義相對論和量子力學運用于恒星演化終局問題的研究所得的一個必然命題；20世紀60年代以來，這一神奇的星空怪物吸引了眾多智者的注意力。人們利用廣義相對論、量子理論和熱力學來探索黑洞的內(nèi)稟性質(zhì)；使人驚奇地發(fā)現(xiàn)黑洞不但不黑，同時黑洞的熵不會減少；被黑洞無情吞噬的物質(zhì)和光的大量的信息在進入黑洞的過程中被刮光，從而使黑洞的層面從外部宇宙所能看到的并不具有任何可識別的特征，這種不可識別的現(xiàn)象被物理學家稱作“無毛”原理。黑洞，通過科學家們幾十年不懈的探索，已為它賦予了豐富的物理學內(nèi)涵。5、1黑洞概
2、念的形成黑洞的概念要追溯到十八世紀末葉，1783年，英國鄉(xiāng)村牧師約翰·米歇爾（J．Mitchell）在皇家學會上宣讀了一篇論文，文中指出：“從恒星發(fā)出的光，由于受恒星引力的影響，光速有減慢的趨勢”。這就是牛頓力學框架中黑洞概念的初期思想。1798年，法國大數(shù)學家和天文學家拉普拉斯（P．Laplace）在法國天文學雜志上發(fā)表了一篇論文，文中說道：“質(zhì)量和密度都很大的物體會成為不可見的”。在他的傳世之作《宇宙體系論》中寫到；“一顆密度與地球相同，直徑比太陽大250倍的亮星，由于它的自身的引力會使它的任何光線都到不
3、了我們這里，由于這種原因，很可能使得宇宙中最大的明亮天體也會變得看不見”。拉普拉斯的這一見解是非凡的，從某種意義上講他已預見了黑洞的存在。1916年，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論，這個理論闡明了強引力場中的時空性質(zhì)以及物體運動的情況。論文發(fā)表幾個月后，德國天文學家史瓦西在俄國前線休息期間開始思考愛因斯坦廣義相對論的內(nèi)涵。史瓦西根據(jù)愛因斯坦的關(guān)于引力對光的作用這一理論得出一個可怕的臨界半徑，這一半徑通常被稱之為史瓦西半徑，其大小為：。其中G是牛頓引力常數(shù)，c是光速。史瓦西預言：當某個天體的半徑小于rg時，光和其
4、他物質(zhì)都不能從它上面逃脫掉，這個天體將會“隱然而逝”。一個質(zhì)量和太陽一樣的黑暗天體，史瓦西半徑只有3公里，而質(zhì)量和地球一樣的黑暗天體，史瓦西半徑還不到0.9厘米。史瓦西的觀點當時未引起人們的注意，他的理治只被當成了廣義相對論的一個數(shù)學解。20世紀30年代，蘇聯(lián)理論物理學家列夫·朗道（D．Landau）記下了一些轟動的、沉思已久的想法：恒星中心由一個高密度星體組成，而這個高密度恒星大部分由不帶電荷的叫做中子的亞核微粒組成。他把寫好的論文送給哥本哈根的尼爾斯·玻爾。玻爾把此論文發(fā)表在具有最高國際聲譽的科學雜志《自
5、然》上。美國物理學家奧本海默（R．Oppenheimei）和他的杰出助手海特蘭·斯納德（H．Snydor）拜讀了朗道的論文，這篇充滿新穎創(chuàng)意的論文使他們獲益非淺，但有不足之處，奧本海默和斯納德指出，當大質(zhì)量恒星的核燃料耗盡后并完全冷卻下來時，再沒有熱膨脹和輻射作用的排斥力去平衡自身引力，該天體在強大引力作用下無休止地塌縮下去，當塌縮到某一臨界大小，便會形成一個封閉的邊界（后稱為“視界”），視界之外的物質(zhì)和輻射可以進入視界之內(nèi)，但視界之內(nèi)的物質(zhì)和輻射卻不能跑到外面，最后將成為一顆“黑暗的天體”。美國物理學家惠勒
6、（J．Wheeler）在二戰(zhàn)后把注意力轉(zhuǎn)向了宇宙學，并對有關(guān)引力坍縮可能性的部分發(fā)生了興趣，惠勒開始沒有同意奧本海默的思想，但最終他的得到的結(jié)論卻與奧本海默基本一致?；堇绽^續(xù)更進一步研究，并把“引力作用下完全坍縮的物體”命名為“黑洞”。黑洞是一種極為奇特的天體，它既不像恒星，更不像行星，嚴格來講它并不是星，而只是宇宙空間的一個區(qū)域；這個區(qū)域的表面是一個封閉的球面，人們稱之為視界。黑洞的視界是將黑洞的內(nèi)部與外部空間完全隔離開來。外來的輻射和物質(zhì)可以進入視界之內(nèi)，而視界內(nèi)的任何物質(zhì)都不能跑到視界之外。黑洞的視界還
7、有一個很有趣的性質(zhì)，根據(jù)廣義相對論，強引力場使黑洞附近的時間變慢，并且離視界越近，時間變得越慢。如果把一個時鐘放在黑洞的視界上，時鐘就會停頓（意味著時間停止）。時間是一種頻率的周期性過程，與時間一樣，其他頻率的周期性過程在黑洞附近也會發(fā)生頻率變慢的問題。頻率變慢即波長變長。因此，天體越靠近黑洞，它的光譜紅移就越大。5、2黑洞的探測圖9-9為惠勒正在講演黑洞黑洞是科學史上極為罕見的科學命題之一，在沒有任何觀測到的證據(jù)證明其理論是正確的情形下，作為一個模型已被發(fā)展到非常詳盡的地步。怎樣才能使人相信一個其依據(jù)只是基
8、于令人懷疑的廣義相對論的計算所得到的推論是正確的呢？況且黑洞是黑的，怎么能看到它呢？惠勒曾打比方說道：“你曾經(jīng)去過舞會嗎？你看到過年輕的男孩穿著黑色晚禮服而女孩穿著白衣裳在四周環(huán)繞著，當燈光變暗時，你只能看到這些女孩。所以女孩是正常恒星，則男孩就是黑洞。你看不到這些男孩，但是女孩的環(huán)繞使你堅信，有種力量維持她在軌道上運轉(zhuǎn)?！币粋€黑洞圍繞著一個伴星作軌道運行的叫雙星體系，雙星體系是極為普遍的，大多數(shù)恒
