如何从牛顿和爱因斯坦脑袋中,来理解黑洞?

黑洞实际上是大众所熟知的,天文学的话题,有许多有关黑洞的科幻影片。

比方说1979年迪斯尼的,科幻影片《黑洞》,在2014年,有《星际穿越》这样的科幻影片。

由诺贝尔奖物理学奖获得者Kip Stephen Thorne教授,所设想的一个超大质量黑洞,它的一个图像。


黑洞,它是一个时空之门,与黑洞相关的一个概念虫洞,我们可以穿过虫洞去进行时空旅行,那么对于虫洞,它也是我们可以通往另外一个宇宙的一个通道,所以说存在不少的科学的狂想。


为何会关注黑洞呢?

黑洞也是一些物理学家和天文学家所感兴趣的问题,从天体物理学的角度来看,黑洞与许多极端天体物理事件有关,与宇宙中结构形成的历史有关。

从物理学的角度来看,黑洞它提供了强场的引力环境,来检验广义相对论在黑洞视界面附近或许会存在有新的物理。

什么是黑洞呢?

我黑洞像是一种完全由引力,所占主导的天体,可以说是在时空中的无限深渊。

我们人类历史上有两位,最伟大的物理学家,牛顿和爱因斯坦,他们都从事过引力的研究,我们可以基于他们的理论来理解一下黑洞。


基于牛顿理论,我们如何来理解黑洞呢?

在天体的表面,如果发射一个物体,当物体的动能大于势能的时候,那么物体才能够跑到无穷远才能够逃逸,我们可以给出逃逸速度。

如果一个光的速度比逃逸速度要小,那么在天体的表面发出的光,最终仍然会落下来。

这也是早年皮埃尔·西蒙·拉普拉斯,所预言的这样一种黑暗的天体,由此我们可以定义引力半径基于广义相对论。

黑洞我们会认为是时空当中的一个区域,在这样一个区域,任何物质包含光它都无法逃逸的区域这个区域的半径,可以用史瓦西半径来表征。

从数学形式上来看,这两个半径都是一样的,但实际上它的物理的内涵有所不同,我们可以基于对行星运动的理解,来看这两个理论的差别。

基于牛顿的引力理论,我们行星的运行是因为受到太阳的引力,在引力的作用下,引力提供向心力来获得这样的圆轨道或者椭圆轨道。

基于爱因斯坦的广义相对论,我们又该如何理解黑洞呢?

他认为是因为有太阳的存在造成时空弯曲,行星在这弯曲的时空当中做彻底运动。

所以说广义相对论的核心思想,是用时空弯曲去代替引力场。


我们基于史瓦西半径的公式,可以结合不同天体,它的质量大小,我们可以把它的史瓦西半径算出来。

对于太阳我们可以算出,它的史瓦西半径是三公里,对于我们地球,它的史瓦西半径只有一厘米左右。

所以如果我们希望把地球,把它压缩成一个黑洞的话,地球要压缩到一颗蚕豆的大小。






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