天文知识培训—黑洞讲义－第一讲.docx

黑洞课时一1、引言同学们好，今天我们的主题是“黑洞”。黑洞这个词相信大部分同学都不陌生，那么在大家的 印象里，黑洞到底是一个什么样的东西？（提问）提起黑洞，我们的第一印象可能是一个黑黑的无底洞，或者是一个贪婪地吞噬周围一切物 体的怪物。其实，黑洞的概念，在历史上经历过一个很长的过程。2、历史历史上第一次提出与“黑洞”类似的概念的人是法国物理学家拉普拉斯。18世纪末，拉普拉 斯就利用牛顿力学预言：“一个密度如地球而直径为250个太阳的发光恒星，由于其引力的作用，将不允 许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体却不会被我们看见。”简单地说，就是一个足够致 密的天体，它的引力会变得非常强大，以至于即使是光线，也会被这天体的引力所束缚而无法逃脱，从而也 无法传播到我们的眼睛里。这可以说是最早的''黑洞”概念了。但是，拉普拉斯的“黑洞”里隐含了一个假设，那就是光是一种粒子，光粒子和一般的物质一样，可以参 与引力作用。历史上这种认为光是一种粒子的学说被称为光的“微粒说:微粒说在牛顿力学创立之后的一段 时间受到人们的认可，这也成为拉普拉斯的“黑洞”理论的一个基础。然而，如同大家在初中物理中学习的， 后来的实验与理论逐渐证明，光其实是一种电磁波，而不是微粒说所主张的经典粒子。电磁波怎么能被天体 的引力所吸引呢？失去了光的“微粒说''这一基础，拉普拉斯的“黑洞”也不再被人们所认可。就在人们逐渐遗忘了“黑洞”这一奇异的想法时，1915年II月，爱因斯坦提出了广义相对论。广义相对论 是一个颠覆性的理论，它改写了人们对时间和空间的认识。在广义相对论中，引力被描写为时空的弯曲，而 既然电磁波是在时空中传播的，它自然也会受到引力的影响。因此，拉普拉斯设想的“看不见的星体”具有了 理论基础！很快，就在一个月以后（1915年12月），德国天文学家史瓦西就利用广义相对论预言，如果一 个天体足够致密，那么它周围的任何东西，包括光，都无法向外传播。为了纪念史瓦西的功绩，他所预言的 这种黑洞被称为“史瓦西黑洞二史瓦西黑洞是最简单的一类黑洞。在此之后，更多种类的黑洞被预言，同时，人们对黑洞的性质也进行 了详细的理论分析。然而，到这里为止黑洞还只是一种预言，有待于观测上的证实。相比于理论而言，黑洞 的观测证实来得稍微有些晚。1965年，天文学家在天鹅座天区发现了一个天体.它和理论上预言的黑洞的性 质非常相似。这个天体被称为“天鹅座X-1星”，通常认为，它是第一个被观测发现的黑洞。之后，更多的黑 洞被发现，小至几个太阳质量，大到上亿太阳质量的黑洞都进入人们的视野。在当代的物理学以及天文学的 研究中，黑洞无论是在理论上还是观测上都是非常受人关注的主题。今天，黑洞的概念已经得到广泛的认可，它也不再是神秘的、难以捉摸的怪物，而是可以被详细研究的 对象。纵观历史我们可以看到，对黑洞的认识可谓一波三折，从牛顿力学的预言，之后一度遭到否定，然后 又在广义相对论的框架下获得新生，直到获得观测的证据而被人们接受，这期间科学家们付出了无数的努力。3、黑洞是什么？那么话说回来，黑洞究竟是什么？听完刚才的''黑洞发现史”，同学们可能会感觉，黑洞就是某种“暗星”, 它们强大的引力使得光都无法逃脱。这样理解大约是对的，但是不完全准确。事实上，“光无法逃脱”这个概 念，在拉普拉斯的“黑洞”和史瓦西的黑洞里都是有的。然而拉普拉斯的黑洞和史瓦西的黑洞可以说是有本质 的区别。要理解这一点，必须谈一谈广义相对论的时空观。大家日常的感受里，空间和时间是裁然不同的概念。空间是三维的，上下四方，广阔无垠；时间是一维 的，不停流逝，直至永远。然而，在广义相对论中，时间和空间有着紧密的联系，它们不是互相独立的概念, 而是一个东西的不同方面，是一个不可分割的整体。这个整体就是所谓的“时空（时空这个概念是非常，非常，非常重要的。在这节课以内希望大家从内心深处接受这个概念，时空是 一个不可分割的整体！）显然，时空是四维的。广义相对论中，时空是物质运动的舞台，所有物体的运动都要受到时空的影响。 同时，物质也可以对时空产生影响。具体而言，就是所谓''物质使自己周围的空间产生弯曲二4维的时空如 何弯曲？这可能不好想像。那么我们可以看看更低维的情况，比如一张橡皮膜。橡皮膜是二维的。一张平坦 的橡皮膜显然是“平直”的，没有弯曲的。而如果我们在上面放一个重物，橡皮膜就会随之弯曲。4维时空的 弯曲，和二维橡皮膜的弯曲，本质上是类似的。说到这里大家可能会有点晕，其实大家只需要记住三句话：时空是一个整体；物质在时空背景上运动； 物质弯曲时空。记住这三句话，就初步理解了广义相对论。说了这么多，这些概念如何和黑洞联系起来呢？刚才提到物质可以使时空弯曲，那么在弯曲时空里运动 的物体，其运动轨迹自然也会相应地发生“弯曲”，就连光也不例外。物体运动轨迹弯曲的结果，就是它们有 互相靠近的趋势，这就是广义相对论中对引力的理解（参考橡皮膜）。换言之，广义相对论中，引力就是时 空的弯曲。显然，时空弯曲得越厉害，光线的轨迹就弯曲得越厉害，光受到引力的影响就越强烈。当一个天 体周围的引力场足够强大时，它周围的时空会高度地扭曲，使得它附近的物体都无法抗拒地被它吸引过去。 这就是黑洞。打个不是很精确的比方,如果我们在橡皮膜上放一个非常重的球，在橡皮膜的中间压出一块无 限深的“无底洞”，那么在这个无底洞里的物体显然是无法逃出去的。黑洞附近的时空，其实和这个橡皮膜上 的“无底洞''是类似的，只不过那是一个四维时空中的“无底洞”。这里我希望引入“视界”的概念。刚才说，黑洞处的时空像是一个“无底洞”，这个洞里的东西无法逃到洞 外，而洞外面的东西却可以远离黑洞。这个洞的边界，也就是我们有时会说的“黑洞的边界”，称为“视界二 这是个很形象的说法，因为视界之内的所有东西都无法逃逸到视界之外，所以我们是看不到视界内部的情况 的。说了这么多，总结一下：黑洞是一个引力很强的物体，它会造成周围的时空强烈弯曲，使得在它附近一 定区域内的所有物质都无法逃逸出这片区域。这就是广义相对论中对黑洞的认识。这里我们可以参考美国科 学家维勒给黑洞下的定义：“黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体。”提问：大家有没有真正理解黑洞是什么？请说明一下拉普拉斯的“黑洞”概念和现代科学中的黑洞之间的 异同。（课间）答：这两种黑洞都包含“光无法逃脱”的概念。但是拉普拉斯的黑洞是基于牛顿力学的，而现代科学中的 黑洞则是基于广义相对论。二者之间有以下几个重要的区别。其一，在牛顿力学的黑洞（拉普拉斯黑洞）中，严格来说，从黑洞表面发出的光线是无法传播到无限远 处的观察者的眼睛里的。但是光线仍然可以离开黑洞表面一段距离。这个道理类似于我在地面上向上扔一个 粉笔头，虽然粉笔头无法逃脱地球的引力，但是它却可以离开地面一段距离。在广义相对论的黑洞里，与“黑 洞表面''相对应的概念是“视界”。和拉普拉斯的黑洞不同，从广义相对论黑洞的视界上发出的光线是无法向视 界外传播的，哪怕只是向外离开视界很少的距离也是不可能的。就好比说，你站在黑洞的视界上，想向外仍 粉笔头，却发现无论怎么扔，粉笔头都不会向外飞。换言之，黑洞视界之内的物质被“囚禁”于视界之内。其二，拉普拉斯所设想的黑洞是一个“暗星”，就是说，它仍然是一个有体积、会发光的正常星体，只是 它自己发出的光跑不出去而已。但广义相对论的黑洞并不是一个平凡的天体。我们接下来会看到，所有处于 黑洞视界以内的物质，都将无可避免地被吸向黑洞中心。在黑洞的中心，是一个体积非常小，密度非常大的 点，而绝非一颗普通的星体。这样一个体积非常小的点集中了黑洞的全部质量，它被称为''奇点”，意思是性 质非常奇异的点。换言之，黑洞一准确来说是最简单的史瓦西黑洞一的结构是：中间有一个体积非常小, 密度非常大的奇点，外面包着一层视界。如果可以准确地理解这两点，相信大家对广义相对论中的黑洞就有了一个比较确切的印象。仍请提醒大家注意，拉普拉斯黑洞只是一个历史的产物，目前来看，它并不是准确的概念。研究黑洞必 须利用广义相对论，我们平常所说的黑洞也只会指广义相对论所预言的奇异天体。4、黑洞的物理性质上面讲了关于黑洞的种种概念，然而都是非常抽象的，大家可能也只记住了“黑洞是连光都无法逃脱的天 体:不过这不要紧，我们会展开一场黑洞之旅，近距离地探寻黑洞的性质。在开始黑洞之旅前，请回忆一下我们刚才提到的黑洞的结构。（再次提视界，奇点）我们将要探寻的是 结构最为简单的史瓦西黑洞。史瓦西黑洞的视界是一个球面，这个球面的半径称为“史瓦西半径4.1 时间延缓假设我们乘着一艘宇宙飞船，向着一个黑洞进发。我们的宇宙飞船上放着一块走时很准确的钟。为了向 地球上的科学家们汇报我们的成果，我们每隔1分钟就向地球发一张自拍照。在我们离黑洞很远的时候，我们并不会感受到什么异常。地球上的人们也很准时地每隔一分钟收到一张 我们的自拍照。然而当我们逐渐靠近黑洞时，地球上的人们会发现，他们不再能够准时地收到我们的自拍照 了。在他们看来，我们发信息的频率似乎越来越慢，从开始的一分钟一次，到两分钟一次，到10分钟一 次是我们偷懒了吗？是我们的钟坏了吗？都不是，这完完全全是黑洞搞的鬼。黑洞对周围时空的影响之一, 就是它会使它周围的时间流逝更缓慢。在我们看来，表上只走了 1分钟，然而在我们的一分钟的时间里，地 球上的钟表已经走了更多的时间。当然，严格来说，但凡是引力场，都会对时空有所影响，所以都会有类似的“时间延缓”效应。比如地球 表面的一个钟表，和人造卫星上的一个钟表，它们所处的引力场是不同的，因此它们的走时就会有微妙的差 别。这一点是被实验精确证实了的。但是，地球周围的引力场很弱，因此“时间延缓”效应也很微弱。黑洞周 围的引力场如此之强，以至于“时间延缓”效应可以变得非常显著。由于在我们靠近黑洞视界的过程中，从地球上看，我们的时间流逝越来越慢，因此地球上的人们看我们 的运动就如同慢镜头一般。我们越接近视界，我们的时间相对于地球就越慢，地球上看到我们的动作也越缓 慢。事实上，地球上的人们永远无法看到我们到达黑洞视界的那一刻，因为对于他们来说，那一刻是无穷远 的未来。在视界面上，时间延缓效应达到最大，那里的一瞬，对于远处的观察者来说，即是永恒。反过来说，站在我们的视角，远处的地球上的时间似乎越来越快。我们看他们的动作，似乎在看电影的 快放镜头一般。在我们到达视界的一刹那，远处的所有物体，比如地球，星空，将会以趋于无穷大的速度远 离我们，直至无穷远。总结一下，由于黑洞对时空的影响，对于视界之外的物体，离视界越近，时间就会流逝得越慢。视界上 的时间流逝得无穷得慢。这样的效应，可以被称为“时间延缓”效应。4.2 引潮力让我们继续驾驶飞船向视界前进。在我们靠近黑洞的过程中，我们将会感受到越来越强的引力。然而这 对我们来说，其实是一个非常不幸的消息。具体来说，越靠近黑洞的物体，会受到黑洞更强的吸弓I力；当我 们足够靠近黑洞之时，我们飞船的头部和尾部所受到的黑洞引力就会出现明显的差别，因为飞船的头部和尾 部与黑洞的距离并不相同！飞船的不同部位收到的引力不同，其结果，就好像飞船受到了一定的拉扯力。（此处应确定大家都能理 解）在越靠近视界的时候，这样的“拉扯力''就会越大，一般来说，在靠近视界的地方，飞船受到的巨大拉扯 力会足以将飞船撕碎！当然，飞船里的人们同样不能幸免。因此，想在黑洞附近实地考察是非常困难的，因 为你必须能够在这样的“拉扯力”中幸存下来。这样的“拉扯力”，天文学上称为“引潮力”。这个名字来源于地球上的潮汐。地球上的潮汐来源于太阳或 月球的引力，具体地说，由于地球上不同位置到月亮（或者太阳）的距离不同，它们受到的引力也会有所不 同，导致地球上的海洋受到一定“拉扯力”，从而使海洋发生形变，这就是潮汐。飞船靠近黑洞时受到的拉扯 力，和潮汐有相同的原理，只是强度大了许多。总结一下，由于物体的各个部分与黑洞的距离不同，它们受到的引力大小也不同，综合来看，这个物体 就好像受到了一定拉扯力。在靠近视界的地方，这拉扯力会变得非常大，以至于飞船和宇航员们都会被四成 碎片。4.3 视界以内理论上，我们的黑洞之旅已经结束了因为我们在到达视界之前就已经被撕碎了。不过为了探索黑洞 视界内部的样子，我们还是假设我们熬过了视界这一关，成功地到达了视界以内。那么我们能看到什么样的 场景呢？之前说到，视界内部的物质是无法逃到视界外面的。有同学可能不相信，假设我们把飞船开足马力，努 力地向外冲，难道我们不能向外运动哪怕一点点吗？答案是不能，我们会发现，即使我们想向外逃，但是我们还是无法远离黑洞中心不仅是无法逃出视 界，而且是不可避免地不断靠近黑洞中心！这是由于世界内时空的奇异性质导致的。在视界内，任何物体， 包括光，的运动方向只能朝向黑洞中心，而不能远离黑洞中心。所有进入黑洞视界内的物质，其结局都是一 样的：运动到黑洞的中心，并且永远静止在那里。再总结一遍：黑洞视界内的所有物质，都会不可抗拒地向黑洞中心运动，它们与黑洞中心的距离会单调 地减小，直到它们运动到黑洞中心并永远静止在那里。（此处可以总结3个性质）5、黑洞对我们有影响吗？这大概是一个大家都关心的问题。举个例子，假如说太阳变成了一个黑洞，对我们有什么影响？我们会 被吸进去吗？（此处可以提问）答案是不会。地球会安安稳稳地在自己的轨道上转动。我们唯一受到的影响，就是无法收到来自太阳的 光和热，从而地球会变成一颗寒冷的星球。为什么地球不会被变成黑洞的太阳吸进去呢？这里我想澄清一个概念：对远处的天体来说，黑洞的弓I力 和其他星体是没有区别的。只是在黑洞周围，引力场会变得很强，空间弯曲程度很强，所以才会有许多奇异 的性质。至于说物体无法逃脱，指的是视界以内的事情°如果太阳变成黑洞，它的视界半径是3km。地球离 太阳这么远，当然不会有什么大的影响。