探索黑洞之謎 裡面到底有什麼？

黑洞是宇宙中最為神秘的，因為沒人知道裡面是什麼，也沒人進去過，人們觀測到的宇宙中的黑洞是十分漆黑的，也因此他們被叫做黑洞。科學家表示，因為黑洞巨大的吸引力足以扭曲光線，導致人們只能夠觀測到全黑的黑洞，但是真實的黑洞並不是完全黑暗的，他們能夠發出光線。下面一起跟著我來探索黑洞之謎。

史蒂芬·霍金在1974年就提出黑洞可能不是完全黑暗的理論，相反，量子效應可能導致輻射從黑洞的邊界逃逸出來。霍金的理論認為，黑洞應該有能力熱製造和釋放亞原子粒子，即霍金輻射，直到黑洞完全耗盡能量。

黑洞

在1974年的聲明中，霍金解釋到，黑洞周圍有著強大的引力場，根據量子理論，這種引力場可影響粒子和反粒子的配對生成，如同在真空中一直存在的現象一樣。如果粒子就在黑洞的視界(event horizon)外生成，可能成為逃逸的正粒子——觀察到的就是從黑洞釋放出的熱輻射——而負粒子可能落回黑洞。

海法以色列理工學院的教授傑夫·斯坦豪爾(Jeff Steinhauer)在今天出版的《自然物理學》雜誌中一篇論文上證明了此效應。他製造一種聲音黑洞而非光黑洞，使用的是帶聲音粒子即聲子「視界」的長管。2014年斯坦豪爾教授發現，視界上隨機產生了聲子。在他最新的結果中，斯坦豪爾證明這些聲子是一對相關聲子中的一個，從而證明了霍金輻射的量子效應。

黑洞

在黑洞中視界是指界限清晰的表面或邊緣，在視界後面沒有光能逃逸，因為逃逸的速度必須快於光速。斯坦豪爾教授使用了波色-愛因斯坦冷凝物製造了相同的條件，但只是聲音黑洞。在2年前的試驗中，他發現與霍金預測的一樣，製造聲波的能量沒有從黑洞中泄露。現在他更進一步，以量子的方式展示這種能量行為。

黑洞

在視界在一邊裡面的粒子流動速度比聲速更快，因此沒有聲子能逃逸。斯坦豪爾教授對《每日郵報》在線版稱：「這如同逆水游泳，如果水流速度比你游泳速度快，你就會向反方向漂流。聲子無法達到『視界』點。」他進行了4600次試驗，即持續6天觀察聲子。他首次在實驗室里發現了霍金輻射的量子效應。但要真正測量黑洞釋放的霍金輻射是不可能的，因為這種輻射太微弱。

黑洞神秘莫測，有很難觀測到，因此人們對於黑洞的認知大部分都來自於計算和科學家的天馬行空，關於黑洞，很多流行了幾十年甚至上百年的說法很可能都是錯的。

1、黑洞源自恆星

黑洞

黑洞最常見的出生地位於大質量恆星的核心。它在耗盡氫燃料之後就會坍縮，坍縮會釋放出激波，將恆星的外部包層炸飛，變成一顆超新星。因此，當恆星的外部在向外爆發的時候，它的核心卻在向內坍縮。

當核心坍縮時，引力就會增大。如果核心的質量足夠大(大約3個太陽質量)，引力就會變得非常強，使得坍縮核心表面的逃逸速度超過光速。這就意味著沒有任何東西能逃離這個天體，即便光也不行，所以它是黑的。

在黑洞周圍有一個區域，其中的逃逸速度等於光速，該區域被稱為視界。任何發生在視界之內的事件都永遠無法被視界之外的人看到。這就是宇宙漏斗的成因。

2、黑洞內部並非無窮小

黑洞的視界將它的內部與我們可見的宇宙隔絕了開。對於一個由恆星坍縮而來的黑洞而言，在這些恆星物質身上究竟發生了什麼?

回答是，我們也許永遠也搞不清楚。由於視界的存在，我們無法看到這些坍縮的物質，因為它們所發出的光無法到達我們(黑洞是一個連光都無法逃逸的地方)。不過物理學和數學可以幫助我們，即使它們位於視界的內部。

這些物質會繼續坍縮，而引力則會繼續增強。越來越小，越來越小，最終它們會坍縮成一個沒有維度的幾何點。很多書上都這麼寫，但事情卻並不是這樣。坍縮的物質會小於一個原子、一個原子核、一個電子，最終抵達「普朗克長度」的大小。在量子力學中，普朗克長度是一個尺度上的極限。對於一個小於這一極限的物體，我們將無法確知它的信息。確切的物理學很複雜，但是即便你能穿透視界進入黑洞內部，只要坍縮的物質達到了這個尺度，你就無法測量它的確切大小。

黑洞

那麼普朗克長度有多小?非常非常小：10-35米。

3、黑洞絕對不是管道狀

對於某個物體而言，你所感受到的它的引力取決於兩個因素：這個物體的質量和它到你的距離。這意味著，只要到某個物體的距離相同，不同的人所感受到的引力是相同的。如果把所有這些引力相同的點串聯起來，就能得到一個引力體位於其中心的球面。

黑洞視界的大小取決於引力，因此視界是一個包裹著黑洞的球面。如果你有辦法從外面看到視界，它看上去會像是一個黑色的球面。

有些人把黑洞想像成一個圈或者是管道狀的。「管道」是在解釋引力對空間的彎曲中經常所用的圖釋，這時坍縮的3維空間被簡化成了2維空間。空間被想像成了一張床單，大質量天體對空間的彎曲就和把一個保齡球放在床單上的效果一樣。但空間不是2維，是3維的(如果算上時間就是4維的)，因此這個解釋就會讓人們對黑洞視界的形狀產生誤解。

4、黑洞會變大

當兩個黑洞碰撞的時候會發生什麼?它們會形成一個更大的黑洞。類似地，黑洞吞食其他物質也會長大。在早期宇宙中當星系正在形成時，嬰兒星系核心處的物質會坍縮成一個質量極大的黑洞。隨著越來越多的物質掉入其中，黑洞會貪婪地消化它們進而生長。最終它會長成一個超大質量黑洞，質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。

不過，就像剛才說的，掉入黑洞的物質會被加熱到極高的溫度。由此所發出的輻射會把物質向外推，阻止它們下落。隨著時間的流逝，停留在黑洞周圍的氣體和塵埃會形成恆星。但相比於氣體，恆星遠沒有那麼容易掉入黑洞。最終由於沒有更多的物質落入黑洞，它便停止了生長。

今天，在銀河系的中心就有這麼一個超大質量黑洞。它的質量是太陽的400萬倍，距離太陽26,000光年。

黑洞

5、是尺寸令黑洞如此異稟

和通常所想像的不同，黑洞擁有如此怪異特性的原因並不在於它的質量有多大(畢竟比黑洞質量大的天體有的是)，而在與它的體積有多小。

也就是說，只有巨大的質量被塞入一個非常小的體積內之後，才能製造出黑洞。那麼，到底要多小呢?假設太陽的質量不變，如果要把它變成一個黑洞，那麼它的半徑就要縮小232,000倍到3千米。

有意思的是，在你把太陽「擠壓」成一個黑洞的時候，其外部的引力效應並不會發生改變。也就是說，當你蒙上地球的雙眼，她全然不會察覺牽動她運動的是太陽還是黑洞。唯一發生變化的地方在已經變成黑洞的太陽的內部和附近。

6、黑洞會轉動

聽上去有點奇怪，不過黑洞確實會轉動。恆星會自轉，它的核心也會轉動。當恆星的核心坍縮地越來越小時，它的自轉就會越來越快。這就像花樣滑冰運動員通過收回張開的手臂來加快自身的轉速一樣。如果核的質量不足以形成黑洞，它就會形成一顆直徑只有幾千米的中子星。目前已經發現了數百顆中子星，它們自轉的速度非常快，有時甚至可以達到每秒鐘100圈。

黑洞也是如此。即便恆星的核心已經收縮到小於視界的大小並且永遠和外部的宇宙失去了聯繫，但它卻仍然在轉動。問題來了，轉動的離心力會使得這些物質無法坍縮到普朗克長度嗎?雖然其中的數學計算極為冗長，但回答是肯定的。不過我們永遠也無法看到這一切，因為它們發生在視界的內部。

7、黑洞附近事情會變得詭異

黑洞會扭曲時空結構。而如果黑洞擁有自轉的話，靜止黑洞的球形視界就會被破壞。

這會在視界之外產生一個被稱為能層的橢球形區域。如果你處於能層和視界之間的話，你會發現你無法靜止了。事實上，這個時候空間會被黑洞拖曳著運動。你可以很容易地沿著黑洞轉動的方向運動，但如果你想懸停，那將是不可能的任務。而在能層的內部，空間運動的速度會超過光速!按照愛因斯坦的相對論，雖然物質不可能運動得如此之快，但空間本身卻可以。

8、黑洞並不總是黑的

很少有物質會直接掉入黑洞進而消失。稍有偏差，它們就會繞著黑洞轉動。隨著物質的增多，它們就會在黑洞周圍聚集起來。由於在轉動，這些物質會形成一個圍繞黑洞高速轉動的盤，加之黑洞的引力隨著距離會變化，因此靠近黑洞的物質其運動的速度要遠遠超出外圍的。這一運動速度上的不一致就會產生劇烈的摩擦，從而使得物質被加熱到數百萬度的高溫，於是黑洞附近的物質就會發出極為明亮的輻射。

更糟糕的是，磁場會驅動物質從中心向垂直於盤的兩側噴出。這兩條噴流的發源地就在黑洞的外圍，但在幾百萬甚至數十億光年之外都能被看見。

連光都無法逃逸的黑洞卻通過吞噬物質成為了宇宙中最明亮的天體。

9、黑洞的密度可以堪比空氣

黑洞的密度可以堪比空氣，對很多人來說，這是非常奇怪且有意思的一點。

隨著質量的增大，黑洞的視界也會變大。物理法則告訴我們，黑洞視界的半徑和它的質量呈正比。也就是說，如果黑洞的質量增大到原來的2倍，其視界的半徑也會增大2倍，它的體積則會增大8倍(前面說了視界是個球面)。我們知道，密度表徵了某個給定體積內包含了多少質量的物質。好了，魔術開始了。

拿一個普通的黑洞，它的質量通常為太陽的3倍，視界的半徑為9千米，此時它的密度為每立方厘米2千萬億克。但如果你把它的質量翻一倍，其密度就會減少到原來的1/4;質量增大10倍，密度就會減少100倍。對於一個在星系團中常見的、10億個太陽質量的超大質量黑洞而言，它的密度只有每立方厘米0.001克，和地球上的空氣密度一樣。

黑洞的存在到現在都是個迷，他身上的秘密就和黑洞一樣深不可測，人類想要完全了解黑洞，以現在的科技時遠遠不夠的。

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