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[转帖]纪念爱因斯坦,谈白洞与黑洞----爱因斯坦广义相对论中预言的两种天体。  发帖心情 Post By:2005/4/20 18:08:00

世界正值纪念爱因斯坦这位20世纪最伟大的科学家之际。谈一下关于白洞和黑洞的话题。
白洞和黑洞是爱因斯坦广义相对论中预言的两种奇特天体模型。对于黑洞这种神秘的天体虽然没有正式发现,但大家都已熟知了。
我先介绍一下物态:
物态通常分为这几类:
等离子体:这一种处于高温状态下的特殊物态,如太阳就处于等离子态;
气态:通常气体状态;
液态:通常液体状态;
固态:通常的固体状态;
超固体状态:就是致密星所处的状态,如中子星,白矮星,黑洞的物质;
下面我专载一下关于黑洞和白洞的有关介绍:
“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。

  根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

  等恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的,等一会儿我们会讲到。

  那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

  我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。

  质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

  这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径),正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

  与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间。我们都知道,光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

  在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。

  更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背。
白洞:
白洞与黑洞一样,也是根据广义相对论所预言的一种天体,它的存在至今也没有得到实际观测的证实。
黑洞的概念,早在200年前就由著名数学家拉普拉斯首次提出了,1939年,又由美国科学家奥本海默等人根据广义相对论作了进一步的阐述。而白洞概念的提出则仅仅是近二三十年的事。
20世纪60年代以来,由于空间探测技术在天文观测中的广泛应用,人们陆陆续续发现了许多高能天体物理现象,例如宇宙X射线爆发、宇宙γ射线爆发、超新星爆发、星系核的活动和爆发以及类星体、脉冲星,等等。
这些高能天体物理现象用人们已知的物理学规律已经无法解释。就拿类星体来说吧,类星体的体积与一般恒星相当,而它的亮度却比普通星系还亮。类星体这种个头小、亮度大的独特性质,是人们从未见到过的,这就使科学家们想到类星体很可能是一种与人们已知的任何天体都迥然不同的天体。
如何解释类星体现象呢?科学家们提出了各种各样的理论模型。前苏联的诺维柯夫和以色列的尼也曼提出的白洞模型,引起了大家的注意。白洞概念就这样问世了。
宇宙中的喷射源
白洞是怎样一种天体呢?
黑洞有一个称为视界的边界,无论是光还是其他任何物质,都只能进入它的视界,而不能从它那里跑出来。这是黑洞最基本的特性。
白洞的特性则与黑洞截然相反。
根据广义相对论,白洞也有一个类似于黑洞的封闭的边界,然而与黑洞不同的是,白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向外运动,外界的物质和辐射却不能通过其边界进入它的内部。也就是说,白洞可以向外界提供物质和能量,却不能吸收外部的任何物质和辐射。说得形象一点,它就好像是一个源源不断向外喷射物质和能量的源泉。因此,天文学家们又把白洞称之为“宇宙中的喷射源”。
白洞与高能天体
既然白洞概念是在解释高能天体物理现象时提出来的,那么白洞与高能天体究竞存在什么联系呢?
白洞是一个物质只出不进的天体,但是,对于外部区域来说,白洞也是一个强引力源。它能把周围的尘埃、气体和各种辐射不断地吸引到它的边界上来,只不过这些物质并不能进入白洞的内部,只能在边界外形成一个包围白洞的物质层。
白洞内部,中心奇点附近所聚集的物质是一种超高密态的物质,其中包含各种基本粒子,甚至引力子,并且还聚集着极其巨大的能量。起初,这些物质是处于某种平衡状态,但它们具有向外膨胀的趋势。当由于某种原因引起膨胀时,物质密度就会在膨胀过程中不断降低。降低到某一程度,就会引起粒子的衰变过程,从而将各种高能粒子、光子、中微子等发射出来。
从白洞内部发射出来的物质都具有很高的速度,而被白洞吸引到其边界上的物质也具有很高的速度。不难想象,这进进出出,又都是高速度,它们在白洞边界上的碰撞该有多么猛烈。随着猛烈的碰撞,必然就会有异常巨大的能量释放出来。
假若类星体或活动星系核的中心有大质量白洞存在的话,那么,它们所释放的巨大能量就可以看成是白洞向外喷射物与其边界上吸积物相互作用的结果。这也就是白洞对高能天体物理现象能源之谜的解释。
白洞形成之谜
关于白洞是怎样形成的,目前科学家们持有两种不同的见解。
一种得到多数天文学家赞同的观点认为,当宇宙诞生的那一时刻,即当宇宙由原初极高密度、极高温度状态开始大爆炸时,由于爆炸的不完全和不均匀,可能会遗留下一些超高密度的物质暂时尚未爆炸,而是要再等待一定的时间以后才开始膨胀和爆炸,这些遗留下来的致密物质即成为新的局部膨胀的核心,也就是白洞。
有些致密物质核心的爆炸时间已经延迟了大约100亿年或200亿年(这要看宇宙的年龄是100亿年还是200亿年,而宇宙年龄目前也是一个未解之谜)。它们的爆炸,就导致了我们今天所观测到的宇宙中各种高能天体物理现象。为此,白洞又有“延迟核”之称。按照延迟核理论,100亿或200亿年之前,我们的宇宙就是一个巨大的白洞。
除了延迟核理论之外,另一种观点认为,白洞可直接由黑洞转变过来,白洞中的超高密度物质是由引力坍缩形成黑洞时获得的。
传统的黑洞理论认为,黑洞只有绝对的吸引而不向外界发射任何物质和辐射。70年代,有一位卓越的英国天体物理学家霍金,根据广义相对论和量子力学理论,对黑洞作了进一步的研究,并对传统的黑洞理论作了重大的修正。霍金对黑洞的见解轰动了科学界,他因此获得了 1978年的爱因斯坦奖金。
霍金认为,黑洞具有一定的温度,会以类似于热辐射的方式稳定地向外发射各种粒子,这就是所谓的“自发蒸发”。黑洞的蒸发速度与黑洞的质量有关,质量越大的黑洞,温度越低,蒸发得越慢;反之,质量越小的黑洞,温度越高,蒸发得越快。譬如,质量与太阳相当的一个黑洞,约需1066(100亿亿亿亿亿亿亿亿)年才能够完全蒸发完,而一些原生小黑洞,却能在10-23秒(一秒的一千万亿亿分之一)之内蒸发得一干二净。
黑洞的蒸发使黑洞的质量减小,从而使黑洞的温度升高,这样又促使自发蒸发进一步加剧。这种过程继续下去,黑洞的蒸发便会越演越烈,最后以一种“反坍缩”式的猛烈爆发而告终。这个过程正好就是不断向外喷射物质的白洞了。
目前,这种白洞是由黑洞直接转变过来的观点,也越来越引起各国科学家们的关注。
由于白洞概念提出之后,用它可以解释一些高能天体物理现象,所以引起了不少天文学家对白洞的兴趣,继而他们也对白洞问题作了一些探讨和研究。
尽管如此,科学家们对白洞的兴趣还远远比不上像对黑洞的兴趣那样浓,对白洞的研究工作也远远比不上像对黑洞的研究那样广泛和深入 ,并且在观测证认工作方面,也不像黑洞那样取得了很大的进展。
总而言之,白洞学说目前还只是一种科学假说,宇宙中是否真的存在白洞这种天体?白洞是怎样形成的?我们的宇宙在它诞生之前是否就是一个白洞?等等,有关白洞的这一系列问题,还都是等待人们去揭开的宇宙之谜。

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