黑洞视界（下）16

本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第16篇

--本文较长，预计阅读7min--

接上一篇！

黑洞存在的证据及无毛定理

今天谈谈黑洞存在的证据及无毛定理，还有黑洞的概念是如何诞生的？

我们知道黑洞的质量非常大，密度大、体积小，所以在黑洞中连光都逃不出来，那就意味着我们永远都“看”不到它，也“感受”不到它。

既然看不到，科学家怎么会认为有黑洞呢？

我们先用科学的语言解释一下什么叫“看到”。

比如你在黑暗中我看不到你，但是我用手电筒照射到你身上我就看到了，科学的语言就是，光子打到你身上，反射回来进入我的眼睛，被我的视网膜感知，这就是我看见你了。

但如果你的质量密度超大，光打到你身上被你给吸住了，再也出不来了，那我就永远看不到你，你就是一个黑洞人。所谓科学仪器就是人的各种感官的延伸，黑洞里光都出不来，仪器当然观察不到。

既然如此，为什么这么多科学家认定有黑洞的存在呢？那是因为发现了很多间接证据。

比如，我们在进行天文观测的时候，会发现有好多个巨大的恒星绕着一个中心在转，那这个中心肯定有一个质量超大的星体，否则怎么能吸引这么多恒星围着它转呢？

但是，当我们把射电望远镜对准这个中心观测时，啥都没有，黑洞洞的，咋回事？难道这些恒星绕着“鬼”在转吗？

合理的解释就是这里有一个黑洞。这真是：你见或者不见，洞就黑在那里，不声不响。

其实我们整个银河系的恒星都在围绕着一个中心旋转。

你看，月球绕着地球转，地球带着月球一起绕着太阳转，那太阳呢？太

阳带着整个太阳系绕着银河系的中心转。

凭啥？

科学家估计，银河系的中心应该有一个超大质量的黑洞。

有人可能会问，黑洞是恒星坍缩而成的，它质量再大也不可能超过原来形成它的恒星啊。

是的，没错，但黑洞一旦形成，就是一个饕餮巨兽，见啥吃啥，凡是进入它范围内的星体，一律吃掉，连骨头都不吐出半根。

黑洞碰见黑洞，也互相吃，黑吃黑，这样黑洞质量就会越来越大。这与曾经的上海滩黑帮老大黄金荣、杜月笙的发展模式很类似。

霍金曾严格证明了“黑洞无毛定理”。啥意思？

这些科学家有时说话也爱比喻，还比喻得很“毛”。其真实意思就是，黑洞把吃掉的星体的一切信息都消灭掉了，连毛信息都不剩。

其实黑洞还是保留下了质量、角动量、电荷三个变量，所以黑洞无毛定理，严格来说应该叫黑洞三毛定理，毕竟还残留了三个物理量嘛。

大家注意：星体被黑洞吃掉，并不是一头栽进去了，因为路过黑洞的星体也有很大的速度，结果被黑洞强大的引力往里拉。

如果星体与黑洞足够远，这个星体的轨道只不过会弯曲，最终还是与黑洞“拜拜”了；如果有点儿近，那这个星体就会绕着黑洞转；

如果足够近，这个星体就会螺旋式地栽入黑洞，被黑洞吃掉了。

黑洞概念的出现

既然黑洞都观测不到，这个概念最初是怎么冒出来的？难道是科学家异想天开、装神弄鬼，编出一个黑家伙来吓唬自己、忽悠大众吗？

当然不是，黑洞是从数学物理方程中推导出来的。

早在1798年，拉普拉斯就推导出了黑洞。

大家都知道，宇宙飞船想要逃脱地球引力的控制，必须要达到一个速度，这个速度就叫逃逸速度。

逃逸速度的公式用中学物理知识就可以推导出来，具体就是，其中G、M、R分别是万有引力常量、地球的质量和半径。

这个公式说明了：质量越大、半径越小，需要的逃离速度越大。

如果这个星体的质量不断增大，或者半径不断缩小，物体逃离这个星体所需要的速度就会越来越大，一旦大到超光速，不就连光也逃不出了吗？

那就变成了黑洞。

不过，拉普拉斯把这个怪物叫“暗星”。

因为当时还不知道光是宇宙中的极限速度，以为光出不来或许还有别的超光速物质可以出来，所以只能叫暗星，还没有产生黑黑的无底洞的概念。

等爱因斯坦的狭义相对论创立后，明确指出光速是所有物质的极限速度，在这种情况下，有一个剑桥大学的印度留学生，叫钱德拉塞卡，他经过计算预言：质量过大的恒星经过不断坍缩后会变成黑洞。

结果遭到他导师爱丁顿的反对，训斥他：“一颗恒星咋可能坍缩成一个点呢？”

爱因斯坦知道了后，也连连摇头，专门写了一篇论文驳斥钱德拉塞卡。喝着恒河水长大的钱德拉塞卡直接无奈了，只好放弃了进一步研究，干别的事了。

紧接着，美国物理学家奥本海默也得出了类似结论，认为大质量恒星会不断内缩，他与爱因斯坦发生了学术冲突。但后来二战爆发，奥本海默去主持曼哈顿工程，将黑洞问题抛在一边。

于是奥本海默成了原子弹之父。

但还有一个人正是利用爱因斯坦的广义相对论，计算推导出黑洞，而且说得有鼻子有眼，这让爱因斯坦很难受。

这个人就叫史瓦西，他利用广义相对论中的引力场方程，推算出一个球形的静止黑洞，现在叫“史瓦西黑洞”，史瓦西凭这个黑洞名垂青史。

具体来说，史瓦西算出：当恒星尺度小于某个半径时，其内的所有光线就再也出不来了。人家还给出了这个半径的计算公式，通过这个公式，我们都可以算出来，地球的史瓦西半径是九毫米，也就是我们刚才说的，如果地球小到葡萄那么大就是一个黑洞。

太阳的史瓦西半径是三千米，反正质量越大的星体，史瓦西半径就越大。所以有的黑洞是很大的，因为人家质量超大。

那史瓦西半径之内就是黑洞了，黑洞还真是个洞洞，里面基本是空空的，它的所有质量都集中在球心上，几乎没有大小，我们把它叫“奇点”，奇就奇在所有物理定律在这里都崩溃了。

这里还要介绍一个重要概念——事件视界，简称视界。刚才说了，在黑洞范围内光都出不来，黑洞范围就是史瓦西半径范围之内。

因此，以奇点为中心，以史瓦西半径为半径就形成一个球面，这个球面就叫视界。球面之内光都出不去，所以说这个球面就是我们视力、视察的边界。

边界之外，你有可能去考察研究，边界之内你啥都看不见，里面发生了什么事件你也看不到，所以叫事件视界。

截至目前，我们只是介绍了一下黑洞的概况，内容有点小儿科。若想深入了解黑洞，知道黑洞内部的秘密，就需要了解一点相对论，知道什么叫弯曲时空。

好，今天就先这样！

Masir 2022/08/05

祝 愉快~

参考文献 

[1]《时空简史》

[2] 《决定论or随机论》

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