宇宙之大,无奇不有,一直以来人类都对星空外的世界充满了好奇。随着科技的发展,人类的航天梦逐渐成真,载人航天飞船,人造卫星不断的被送入太空之中,帮助我们进一步的了解宇宙。
浩瀚的宇宙,一直另人着迷。
虽然现在我们对于星空外的世界有了更深层次的认识,但是宇宙浩瀚无垠,有许多奇妙的事物,以我们现在的能力也无法窥探其神奇之处,黑洞就是其中之一。
黑洞
宇宙中有许多天体,比如恒星,彗星,黑洞,它们组合在一起构成了宇宙中璀璨的星河,让我们感受到了宇宙的震撼。黑洞是一种十分特殊的天体,具有极强的引力,能够产生强烈的弯曲时空,在这个时空中的逃逸速度远远大于光速,也就是说即便是光陷入其中也无法逃脱,所以黑洞一直以来都蒙着一层神奇的面纱。
根据爱因斯坦的相对论,黑洞的产生就伴随着灭亡、当一颗恒星垂死崩溃时,它会向中心塌缩,而这个中心就将成为黑洞,吞噬掉周围宇宙所有的光线和物质。
以目前人类的技术来看,黑洞就是只进不出的。我们在许多的影视作品里也能看到关于黑洞的故事情节,一旦坠入黑洞那也就意味着生离死别。
作为一种神奇的天体,黑洞并不能直接观测,只能以间接的方式来探测出它的存在和质量。黑洞的性质让其在宇宙中几乎是属于无敌的存在,任何靠近它的物体都只能任由其吞噬,可即便如此,黑洞也并不是永生的,终归有消逝的一天。
任何生命都有寿命,超过生命周期就会消亡,黑洞也同样如此。据悉一个质量为10kg的黑洞,温度可以达到120万亿亿摄氏度,要知道太阳的核心温度也只有1500万摄氏度,这也使得黑洞的能量流逝速度飞快,寿命极短,它的寿命也只有84飞秒,一飞秒为千万亿分之一秒,所以这种小型黑洞的寿命可以说是转瞬即逝。
通常情况下,能够演化成黑洞的恒星质量都是非常大的,甚至是太阳质量的十几倍。恒星毁灭的最终归宿就是黑洞,但是,并不是所有的黑洞都是由恒星形成的,宇宙大爆炸初期也形成了很多的黑洞,这种黑洞并不受奥本海默极限限制,所以有大有小。那些很小的黑洞转瞬即逝,所以现在我们所发现的主要是大型黑洞。
宇宙大爆炸
在我们之前说到过,黑洞可以弯曲时空,即使光也无法逃脱,所以黑洞就是一个只进不出的天体,那它是怎么对外散发出热量的呢?显而易见这是一个矛盾,那这是怎么回事呢?
黑洞的寿命
关于这个问题,我们称之为“黑洞信息悖论”,因为黑洞的性质,进入黑洞的物质携带的信息会完全消失,这违背了能量守恒定理。因为找不到解释的理由,一些科学家认为这是黑洞的强大引力使得信息守恒定理失效。但这真的对吗?答案是否定的。
霍金辐射
上世纪七十年代,霍金首次提出了黑洞蒸发(霍金辐射)理论,这一问题才得到了解决。霍金认为黑洞不断地吸收周围的物质,再通过黑洞蒸发失去质量。
相比之下,质量越大的黑洞,其蒸发速度较慢。据计算,太阳质量大小的黑洞将拥有一千多年的寿命。根据黑洞蒸发理论,每个黑洞都有辐射温度,辐射温度与黑洞质量成反比,质量越小,温度越高,寿命越短,这也是为何质量为10kg的黑洞寿命仅仅只有84飞秒的原因。
人类的研究
霍金的发现,为人类对于黑洞的研究提供了大大的帮助。除了黑洞蒸发理论,霍金还在更早的阶段提出了黑洞的面积不减的理论,也就是说黑洞的面积顺着时间的方向不会减少,简单而言就是黑洞的质量越大,面积越大。
霍金辐射
两个黑洞可以融合成为一个黑洞,且面积大于之前的任意一个黑洞,但是同一黑洞不可分离成两个,因为要保证表面积不变这一原理。不少人或许会说,既然黑洞的面积不减,那黑洞为何会死亡呢?
熵增定律
关于这一问题,科学家最后依然给出了答案。在霍金提出黑洞面积不变理论之后,仅仅过了一年,雅各布贝肯斯坦就提出了著名的熵增定律,并提出假设认为黑洞具有熵。
在我们的印象中,黑洞是冰冷的恐怖的,熵的提出也首次为黑洞带来了温度。这项假设可以说完全颠覆了人类的认知,由于没有试验证明,有许多科学家对此假设提出了怀疑态度,霍金也是其中之一。
之后霍金通过深入的研究,发现黑洞的确不是我们所想像的冰冷,而是可以发射出热辐射的,这就是著名的霍金辐射。在狄拉克的正电子预言之后,人们逐渐发现真空涨落发生在宇宙的每一个角落,一旦发生真空涨落,也就意味着会出现能量欺负,同时伴随着虚粒子对的出现。
霍金将这种涨落的情况设想到了黑洞附近,如果在黑洞附近产生虚粒子对,是否就能产生热辐射呢?虚粒子对是由正负两个粒子组成,存在的时间非常短暂,如果在产生的过程中,虚粒子被黑洞吸入会如何呢?
宇宙深处的“黑洞”
如果正负粒子同时被吸入黑洞,那么并不会引起什么反应,如果正能粒子进入黑洞,负能粒子在外面也会随之消失。可是当负能粒子被吸入黑洞后,正能粒子会存在于外部世界。在这种情况下,负能粒子会消耗黑洞的一点点质量,另一个粒子则会从黑洞附近飞走,带走部分热量,这就是霍金辐射的原理。
模拟黑洞图
霍金的这一发现也进一步证实了黑洞为何会产生热辐射。热辐射也就是意味着黑洞的能量在流失,如果黑洞无法得到其他物质能量的补充,通过这种热辐射逐渐的消耗能量,黑洞终有一天会消失殆尽,这也就意味着黑洞也存在寿命。
黑洞的最终归宿
根据黑洞面积不变定理,黑洞的面积不会减少,但质量却可以不断增加,两个甚至多个黑洞也可以不断融合。我们知道恒星的最终归宿就是黑洞,那么黑洞是否还能进一步演化呢?答案是肯定的。
恒星一生
黑洞可以不断的吞噬大量物质,而且还会伴随发射出强烈的X射线辐射。这样就意味着黑洞可以无限变大,质量越大,寿命也就越长。有的巨大的黑洞的寿命甚至从宇宙诞生至今就存在。
目前宇宙的背景辐射温度是2.7k左右,对于绝大多数黑洞而言,可以直接从宇宙的背景辐射中吸收能量,所以这些黑洞的质量还在不断的增加。
宇宙微波背景辐射
当然,即便是再大的黑洞也不可能得到永生,随着宇宙的膨胀,微波背景辐射已经从诞生时的状态降低到了现在的2.7k,未来的日子里可能还会进一步降低。黑洞所能获取的能量也会越来越少,最后消亡。
展望未来
事实上,目前我们并没有发现过10kg的黑洞,但是在宇宙早期存在的原初黑洞中,不乏质量小于10千克的,只不过因为霍金辐射而消失。我们之所以知道10千克的黑洞寿命为84飞秒,这是根据黑洞的寿命公式得来的。
根据了解,我们不得不感叹宇宙的奥妙,同时也对那些为科研奋斗、孜孜不倦的科学家产生钦佩。目前以我们的科技实力,也只能通过一些推力对宇宙中的神奇现象进行研究。
尽管我们对于黑洞已经有了了解,但是黑洞对于我们而言依然是充满危险,我们对黑洞的印象也是冰冷和恐惧。但是我相信未来随着科技发展,人类或许可以打破空间的局限,对黑洞有进一步的了解。