科学简介（1）

天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响。）在1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论，之后这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

    观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，因为在相对论中没有绝对时间，所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

    黑洞吞噬中子星

    但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂!然而，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

    罗杰·彭罗斯在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

    物理学年表

    1640年–法国天文学家布利奥（ismaelbullialdus）建议万有引力的大小与距离平方成反比。

    1684年－牛顿导出了平方反比的万有引力定律。

    1758年－拉古萨共和国（现今克罗地亚南部的港市杜布罗夫尼克）的vich发展出自己的力学理论，在短距离内万有引力会互斥。依据他这奇特的理论，可能存在类似白洞的物体，能使其他的物体不能接近它的表面。

    1784年–英国的自然哲学家ichell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。

    1795年–法国的数学与天文学家拉普拉斯亦论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。

    1798年–英国的物理学家亨利·卡文迪什测量万有引力常数常数g。

    1876年–英国的数学与科学哲学家威廉·金顿·克利福德建议物体的运动可能源自于空间上的几何变化。

    1909年－爱因斯坦和葛罗斯曼开始发展束缚度量张量的理论gik，用以定义与质量有关，源自的万有引力空间几何。

    1910年－汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦定义了莱纳－诺德斯德伦奇点，赫尔曼·魏尔解出特解为一个点。

    1916年－卡尔·史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程。

    1917年－保罗·埃伦费斯特给初三度空间的条件原则。

    1918年－汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦解出球面对称且不转动的荷电系统的爱因斯坦－麦克斯韦场方程。

    1963年－克尔解出不带电对称旋转体在真空的爱因斯坦场方程，并导出克尔度规

    1964年－罗杰·彭罗斯证明一颗内爆的恒星一旦形成事件视界就必然会成为奇点。

    1965年－艾兹·t.·纽曼、e.考契（couch）、apared、、a.prakash、和解出带电并旋转系统的爱因斯坦－麦克斯韦场方程。

    1967年–在英国伦敦国王学院的以斯列证明了无发理论。约翰·惠勒提出"黑洞"这个名词。

    1968年－布兰登·卡特应用汉米顿－贾可比方程导出带电的亚原子粒子在克尔－纽曼黑洞场外的一阶运动方程。

    1969年－罗杰·彭罗斯论述由克尔黑洞题取自旋能量的罗杰—彭罗斯过程。罗杰·彭罗斯提出宇宙审查假说。

    1971年–确认天鹅座x－1/hde226868是一个双星的黑洞系统候选者。

    1972年－史蒂芬·霍金证明，经典黑洞的视界事件区域不可能减少。詹姆斯·巴丁、布兰登·卡特、和史蒂芬·霍金提出等同于热力学定律的黑洞第四定律。雅各·柏肯斯坦建议黑洞也有熵，就是事件视界的面积。

    1974年－史蒂芬·霍金将量子场论运用于黑洞时空，并证明黑洞会像黑体一样辐射出光谱而导致黑洞的蒸发。

    1989年–证明天鹅座的gs2023+338/v404是一个双星黑洞系统的候选者。

    1996年－安蒂·斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵，得到与史蒂芬·霍金和雅各·柏肯斯坦相同的结果。

    2002年－马克斯普郎克外太空物理学院的天文学家提出的证据假设银河系的中心人马座a*是个超重质量黑洞。美国国家航空航天局的昌德拉x－射线天文台的观测，怀疑在ngc6240内的黑洞是由星系吞噬产生的。

    2004年–在量子力学和弦论上的计算，都认为讯息可以自黑洞溢出。源自弦论的黑洞模型对奇点的想法抱持怀疑。参见fuzzballs。加州大学洛杉矶分校进一步的观测证据，强烈的支持人马座a是一个黑洞。

    黑洞并不仅仅是在宇宙空间吞噬气体，如果形成黑洞的恒星处于快速旋转，那么这个黑洞也会持续旋转。相比静止状态的黑洞，旋转黑洞能够更好地控制环绕其周围的宇宙物质盘。

    星系中心的超大质量黑洞不再是“无色的”

    这个快速旋转的黑洞叫做grs1915+105，大约每秒旋转1000次。这几乎是黑洞旋转的最快速度，这一速度是快速旋转恒星崩溃之前测定的。

    所谓“超大质量黑洞”是指每个质量约为太阳的100亿倍。如果存在超大质量黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在ngc4261.室女座m84星系、室女座m87星系等星系中心发现了高速旋转的气体，而且发现银河系中心有几颗恒星按照轨道环绕中心的速度是其他恒星的上千倍，能使恒星飞速旋转必须有极大的引力，而只可能是超大质量黑洞有这样的能力。

    根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径，就能求出那个天体的质量，ngc4261旋转半径为300光年以内，质量约为太阳质量的20亿倍；m84星系旋转半径为30光年以内，质量约为太阳质量的3亿倍；m87星系旋转半径为15光年以内，质量约为太阳质量的30亿倍。10亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为10天文单位，也就是1光年的一万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半径相比较，还没有把握住黑洞的外侧。

    1995年，有关科学家与美国史密森尼安天文台合作，使用超长基线电波干涉仪群观测猎犬ngc4258星系的中心区域，发现在ngc4258星系中心仅0.3光年的区域内，就存在相当太阳质量3600万倍的质量，而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此，星系中心存在超大质量黑洞的可能几乎转瞬间便具有了可能性。同年，科学家们进行了对确认超大质量黑洞具有决定意义的观测，证据是通过日本的x射线天文卫星观测得到的，观测对象是名为“mcg－6－30－15”的一个活跃星系。观测结果表明，来自这个星系中心的x射线发生了“引力红移”，这是非黑洞无法解释的。

    所谓“引力红移”是在强引力作用下，时间似乎变慢的可用广义相对论解释的现象，在这种现象中光波长变长。这个现象被确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了超大质量黑洞存在的强有力的证据，任何星系都存在巨大黑洞。

    黑洞不是“无色的”，周围可能围绕着光环

    据麻省理工学院《技术评论》（logyreview）杂志报道，天文学家认为，星系中心的超大质量黑洞不再是“无色的”，其周围可能围绕着光环。

    据报道，天文学家利用甚长基线干涉测量法，已经在黑洞成像技术方面取得了长足进步。人们普遍认为，在不远的将来，还会开发出更加先进的观测方法。

    根据理论预测，黑洞周围的光环，由黑洞吸引和束缚的光子组成。这个光环并没有穿透“事件穹界”，仅仅位于“事件穹界”的外围。事件穹界，即黑洞周围让物质有去无回的边界，在边界以外观测不到边界以内的任何事件。光环的直径可能比其围绕的黑洞直径大几倍，利用未来的成像技术可能可以看到它们。现在天文学家最急切希望的是，利用甚长基线干涉测量法等手段，可直接测量黑洞的质量。

    天文学家认为，他们将很快会直接观测到黑洞，并且能够观测到这些光环。广义相对论有一个著名的黑洞“无毛发定理”（no－），它表明稳定黑洞的内部性质被其质量、电荷及角动量三个宏观参数所完全表示。阿里桑那大学专家蒂姆·约翰森和迪米特里奥斯·帕萨提斯（dimitriospsaltis）指出，位于星系中心的黑洞是验证“无毛发定理”的最合适的对象。

    2010年11月16日凌晨1点30分，美国宇航局宣称，科学家通

    黑洞

    过美国宇航局钱德拉x射线望远镜在距地球5000万光年处发现了仅诞生30年的黑洞。

    领导这项研究的美国哈佛·史密森天体物理学研究中心的丹尼尔·帕特诺德（aude）说：“如果我们的解释是正确的，这将是迄今为止观测到的距离地球最近的新生黑洞!”

    这个最新发现的年仅30岁婴儿黑洞是超新星sn1979c的残骸物质，该超新星位于m100星系，大约距离地球5000万光年。基于1995年至2007年的观测数据，科学家推断这个年轻黑洞的成长是超新星sn1979c或者一个双星系统提供“营养成份”。

    超新星sn1979c首次被观测是1979年，由一位业余天文学家发现。科学家认为sn1979c是由一颗质量是太阳20多倍的恒星坍塌后形成的。之前在遥远宇宙区域发现的新黑洞是在伽马射线暴（grbs）中发现的，然而sn1979c截然不同，这是由于它非常接近地球，属于超新星类型，不可能与伽马射线暴有关。科学家基于该理论预测宇宙中存在着更多的黑洞，它们形成于恒星内核崩溃、未产生伽马射线暴的时期。

    这个婴儿黑洞的30岁年龄与理论研究相一致。2005年，一项理论研究报告显示，超新星sn1979c的明亮光线的能量来源于一个黑洞的喷射流，该黑洞喷射流不能穿透恒星的氢气包裹层形成伽马射线暴。这项研究结果与sn1979c的观测结果十分相符。

    据英国媒体2013年1月22日报道，美国的天文学家公布了首张预测的黑洞

    天文学家预测黑洞形状如同月牙

    形状图像，像一弯月牙，但他们坦言目前并没有技术来证明他们的猜测。[10]

    在第221届美国天文学会的大会上，来自美国加州大学伯克利分校的天文学家艾曼·卡曼鲁迪（aymanbinkamruddin）公布了他猜想的黑洞图像。

    据了解，黑洞是看不见的，即使是光也不能脱离它的巨大引力。天文学家设想，黑洞的周围有边界，并且被其吸入的物质放射的射线可以被观测到。首张黑洞图像便是在这种预期下完成的。[10]

    卡曼鲁迪告诉记者说：“黑洞周围有许多非常有趣的物理现象，这些物质会发光。从技术的角度讲，我们不能看到黑洞，但我们可以有效解决视界的问题。”[10]

    过去艺术家眼中的黑洞形象

    事实上，天文学家的黑洞图像设想是建立在尚未完成的模型之上的。一个名为“视界望远镜”的新项目将世界范围的射电望远镜的观测数据联合起来。这样，太空中的微小景象都能被观测到了。

    加州伯克利分校另一名天文学家贾森·德克斯特说：“我认为在未来5年内，我们得到黑洞的真实形象就不是一件疯狂的事情了。”[10]

    广义相对论相关

    广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。

    事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道，没有任何东西可以比光运动得更快）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

    广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器，这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为psr1913+16（psr表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。

    在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。

    然而，加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。

    然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

    黑洞

    伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

    黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢?然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3c273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离地球如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开地球太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能。

    5专家研究

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    等离子体

    德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器（bessy2）在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究，之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验，也可以在地面进行，诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大，会吸附一切物质。进入黑洞后，任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高，会产生核与电子分离的高温等离子体。

    黑洞吸附物质会产生x射线，x射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条（颜色）的x射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。

    在这个过程中，铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富，但是，它能够更好地吸收和重新发射出x射线，发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长（使得其具有不同的颜色）。

    铁发射出的x射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中，铁原子通常会经历几次电离，其包含的26个电子中有超过一半会被去除，最终产生带电离子，带电离子聚集成为等离子体，研究人员可以在实验室中重现了这个过程。

    实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中，铁原子经由一束强烈的电子束加热，从而被离子化14次。实验过程如下：一团铁离子（仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄）在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内，同步加速器发射出的x射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来，作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。

    实验室测量到的光谱线与钱德拉x射线天文台和牛顿x射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说，研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。

    这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起，让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望，将ebit分光检查镜和更清晰的第三代（2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源petra3）、第四代（x射线自由电子激光xfel）x射线源结合，将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。

    人造黑洞