发布日期：2026-02-13 12:21 点击次数：95
提到黑洞，东说念主们最直不雅的默契往往是“引力大到光齐无法逃走的天体”。
这个界说顺心却不够全面——更令东说念主困惑的是，尽管黑洞的“并吞”才能有名远近，但从物理学的严格真谛来讲，参加黑洞其实是一件近乎不可能的事。要团结这一矛盾的论断，咱们必须先跳出经典力学的框架，走进爱因斯坦广义相对论所形容的污蔑时空之中。
在牛顿的物理学体系中，时空是完满的、笔直的，就像一张铺在无限空间中的固定桌面，无论周围存在何种物资，桌面的形态齐不会变调。
但爱因斯坦的广义相对论透顶颠覆了这一默契：时空并非刚性的“桌面”，而是一张不错被质地和引力污蔑、压缩、拉伸的“弹性织物”。这种污蔑并非概述的数学倡导，而是能通过具体表情被感知和考证的客不雅事实。
咱们不错用一个凡俗的例子来团结时空的污蔑效应。假定有一把表率的一米长尺子，当它被摈弃在强引力场中时，从引力场外部不雅测者的视角来看，这把尺子的长度会清醒变短；但奇特的是，尺子自己并不会“感知”到我方的长度变化——对于与尺子处于吞并引力场中的不雅测者而言，尺子依然是表率的一米。这种长度的变化并非尺子自己的物理结构发生了变调，而是引力场对时空表率的压缩导致的不雅测互异。
时候维度相通会受到引力场的影响。若是咱们拿着一块精确的腕表走进强引力场，腕表的指针在咱们我方看来依然是正常动弹的，时候荏苒的速率也莫得任何荒谬；但在引力场外部的不雅测者眼中，腕表的指针动弹会越来越慢，咱们的看成也会变成慢镜头，以致会出现“一秒钟仿佛过了一分钟”的错觉。这种时候的“相对性”并非错觉，而是引力场对时候表率的压缩效应，是广义相对论的中枢扩充之一。
闻明科幻电影《星际穿越》中，就纯真地展现了引力场对时候的压缩效应。
影片中，男主角库珀与女主角布兰德赶赴黑洞“卡冈图亚”隔邻的米勒行星践诺探伤任务，他们在行星名义仅停留了三个小时；关联词当他们复返绕行星运行的飞船时，留守的共事罗米利一经朽迈了20年。这一情节并非编剧的虚拟，而是严格罢职广义相对论的科学推演——黑洞隔邻的强引力场将外部时空的20年，压缩成了行星名义的三个小时。对于库珀和布兰德而言，他们的时候荏苒是正常的；但对于处于弱引力场中的罗米利来说，同伴的时候被相配压缩，最终变成了“天上一日，地上十年”的夸张互异。
当咱们将广义相对论的时空污蔑效应哄骗到黑洞上时，会得到一个更令东说念主触动的论断：黑洞的角落，本色上是时空被压缩到极致的区域——在这里，时空的表率被压缩成了零。为了更清醒地团结这一表情，咱们不错构建一个念念想实验：假定你决定躬行探索黑洞，我则在黑洞外部的安全区域为你“把风”，咱们商定好，你每隔1分钟就向我发送一条信号报吉利。
在你聚合黑洞的历程中，从你的视角来看，一切齐是正常的：你会严格按照商定，每隔1分钟发送一条信号，我方的呼吸、看成、念念维速率齐莫得任何荒谬。但从我的视角来看，情况却在不断发生变化——跟着你冉冉聚合黑洞角落，我接收到的信号拒绝会越来越长。一开动，你的1分钟可能对应我这边的1个小时；当你进一步聚合时，你的1分钟可能会对应我这边的10个小时、100个小时，以致更长。
这种时候表率的互异会跟着你与黑洞角落的距离缩小而不断加重。当你无限接近黑洞角落时，你的1分钟时候，在我看来将等同于无限长的时候。哪怕我领有永生久视的才能，能够见证天下的降生与退让，也历久无法看到你信得过到达黑洞角落的那一刻——我能不雅测到的，仅仅你不断趋近黑洞角落的身影，以及你发送的信号拒绝越来越长，最终透顶隐匿在天下中。从外部不雅测者的视角来看，你历久无法参加黑洞。
这里的要道在于“不雅测视角的相对性”：外部不雅测者看到的“历久无法参加”，并非因为你在前进历程中遭遇了物理控制，而是因为黑洞的强引力场将你的时候无限拉伸，导致你到达黑洞角落的短暂，对应着外部天下的无限畴昔。这种时空表率的极致污蔑，变成了沿途无形的“壁垒”，让外部不雅测者历久无法见证参加黑洞的历程。
既然外部不雅测者历久看不到你参加黑洞，那么从你的视角来看，你能胜利参加黑洞吗？谜底是细目的——但参加的历程，会比你假想的愈加诡异。
从你的视角来看，参加黑洞的历程是在有限时候内完成的：你会感受到我方不断聚合黑洞，最终穿过黑洞角落，参加黑洞里面。但问题在于，你的“有限时候”，对应的是黑洞外部的“无限时候”。也便是说，在你穿过黑洞角落的那刹那间，从你的视角来看，所有这个词天下的时候会被压缩到极致——天下的降生、演化、朽迈、闭幕，齐会在片晌间完成。
这一扩充带来了一个令东说念主深念念的问题：当你信得过参加黑洞之前，天下可能一经迎来了闭幕。
现在物理学界对天下的最终行运存在多种意象，无论是“大减轻”（天下在引力作用下坍缩成一个奇点）、“大扯破”（暗能量导致天下加快彭胀，最终所有物资齐被扯破成基本粒子），照旧“热寂”（天下熵达到最大值，所有能量齐滚动为热能，堕入不灭的暗昧），其最闭幕局齐是天下的退让。若是天下的寿命是有限的，那么在你完成参加黑洞的有限时候内，外部天下一经闭幕，黑洞是否还会存在，也就成了一个未知数。
由此可见，无论从外部不雅测者的视角，照旧从参加黑洞者的视角，只须天下的寿命是有限的，“信得过参加黑洞”便是一件无法终了的事。但这一论断是拓荒在“瞎想化模子”之上的——它假定黑洞是静止的、并立的，周围莫得任何物资打扰。而在现实的天下中，黑洞并非“并立存在”，它们会不断经受周围的物资，还会与其他黑洞发生合并。那么，现实中的黑洞为什么又能“经受”物资呢？这里的要道在于：咱们并非主动“参加”了黑洞，而是黑洞通过扩大自身的“视界线”，主动“理睬”了咱们。
在商议黑洞的“经受”步履之前，咱们需要先明确一个倡导——视界线（也叫事件视界）。
视界线是黑洞的“鸿沟”，它并非实体名义，而是一个时空区域的分界线：一朝越过视界线，任何物资和信息齐无法逃离黑洞的引力。咱们之前商议的“无法参加黑洞”，履行上是指无法从外部不雅测者的视角看到物资越过视界线。
现实中黑洞经受物资的历程，并非物资主动“穿过”视界线参加黑洞，而是黑洞的视界线主动扩张，开云app官方下载将周围的物资“包裹”进去。当物资冉冉聚合黑洞时，物资自身的质地会产生引力，与黑洞的引力互相重复，导致局部的时空污蔑进度进一步加重。当物资聚合到一定进度时，重复后的引力会将本来处于视界线以外的时空区域压缩到极致，使得视界线扩大，将这部分物资纳入其中。
黑洞的合并历程相通罢职这一逻辑。两个黑洞的合并，并非一个黑洞“参加”另一个黑洞，而是两个黑洞的视界线在互蚁集中的历程中不断扩张，最终融会成一个更大的视界线。
咱们不错用一个通俗的例子来团结：假定天下中有两个并立的黑洞A和B，它们各自领有我方的视界线。当A和B冉冉聚合时，它们之间的区域会受到两个黑洞的引力重复，时空污蔑进度急剧增多。当它们聚合到一定距离时，中间区域的时空表率被压缩为零，两个黑洞的视界线会互相团结、扩张，最终变成一个全新的、更大的视界线，这便是黑洞合并的本色。
需要注意的是，咱们之前商议的“无法参加黑洞”，是针对“质地为零的瞎想不雅测者”而言的——这类不雅测者不会对周围的时空产生任何关扰，因此会被视界线的无限时候拉伸所“相反”。但现实中的物资齐具有质地，它们会对时空产生打扰，从而变调视界线的形态。举例，当一颗恒星聚合黑洞时，恒星的质地会与黑洞的质地重复，导致视界线扩张，将恒星的一部分或全部包裹进去。从外部不雅测者的视角来看，恒星会冉冉被黑洞的引力扯破，最终“隐匿”在视界线内——这并非恒星主动参加了黑洞，而是黑洞的视界线扩张后，将恒星纳入了我方的范围。
咱们一经明确，从外部不雅测者的视角来看，物资历久无法信得过参加黑洞；但假定咱们忽略天下的有限寿命，从参加黑洞者的视角来看，一朝穿过视界线，就再也无法逃离黑洞。这一论断相通不错从广义相对论的时空污蔑效应中得到评释，咱们依然不错通过念念想实验来团结。
假定你胜利穿过了黑洞的视界线，此时你想回身复返黑洞外部，与在外面“把风”的我汇合。从你的视角来看，你只需要破钞有限的时候就能完成回身、前进的看成；但从我的视角来看，你的时候被无限拉伸——你回身的0.0001秒，可能就对应着外部天下的100亿年、1000亿年，以致更久。比及你完成回身的看成时，外部天下早已迎来了闭幕，我也早已不复存在。
从你的视角来看，无法逃离的原因则愈加通俗：黑洞里面的时空污蔑宗旨与外部完全相反。
在黑洞外部，时空是“向外彭胀”的，咱们不错解放地向任何宗旨迁徙；但在黑洞里面，时空被相配污蔑，所有的宗旨齐指向黑洞的中心奇点。也便是说，在黑洞里面，“前进”和“后退”的倡导一经失去了真谛——无论你向哪个宗旨迁徙，最终齐会朝着中心奇点聚合。同期，黑洞外部的时空表率对你而言是无限大的：从黑洞里面到外部的距离，在你看来是无尽远的。把柄狭义相对论，开云app下载任何物体的领略速率齐无法卓著光速，以有限的光速穿越无尽远的距离，需要无限长的时候——这意味着你历久无法回到黑洞外部。
这里咱们需要鉴别广义相对论黑洞与经典力学黑洞的本色互异。经典力学认为，黑洞之是以无法逃离，是因为黑洞的引力太强，光的速率不及以克服引力，无法脱离黑洞的拘谨；而广义相对论则认为，黑洞之是以无法逃离，是因为引力导致时空表率被极致压缩——从黑洞里面到外部的距离被拉伸为无尽远，逃离所需的时候被拉伸为无限长。两者的论断调换，但背后的物理旨趣却人大不同，这也体现了广义相对论对经典力学的超越。
在很长一段时候里，物理学家们齐认为黑洞是“只进不出”的天体——一朝物资参加黑洞，就会历久隐匿，不会以任何花式再次出现。但1974年，英国物理学家霍金建议了一个颠覆性的表面：黑洞并非完全“一毛不拔”，而是融会过一种特殊的方式向外辐照粒子，这种表情被称为“霍金辐照”。若是霍金辐照的表面是正确的，那么黑洞就不是“完全玄色”的，而是一种“灰洞”。
需要注意的是，霍金辐照现在还停留在表面意象阶段，尚未被实验径直考证。这一表面的建议，将广义相对论与量子力学这两大物理学支捏测度了起来——咱们之前商议的黑洞性质，齐只议论了广义相对论的效应，而霍金辐照则是量子力学在黑洞研究中的伏击哄骗。
要团结霍金辐照，咱们最初需要突破一个学问默契：真空并非“空无一物”。把柄量子力学中的“量子涨落”表面，真空其实是一种“充满活力”的现象——在极短的时候内，真空中会当场产生一双对“正反粒子”（举例电子和正电子），这些粒子会在产生后短暂互相碰撞、磨灭，回来真空现象。这种量子涨落表情无法被径直不雅测到，但一经通过迤逦实验得到了考证（举例卡西米尔效应）。
咱们不错用一个形象的例子来团结量子涨落：从高空俯视海平面，会以为海面幽静无波；但若是聚合不雅察，就会发现海面上有无数轻细的水点在高下升沉、不断生成和隐匿。真空中的正反粒子对，就如同海面上的轻细水点——它们当场生成，又短暂磨灭，督察着真空的动态均衡。
霍金辐照的中枢逻辑的是：在黑洞的视界线隔邻，量子涨落产生的正反粒子对，会因为黑洞的引力而被“分离”。在正常的真空中，正反粒子对会短暂磨灭；但在黑洞视界线隔邻，其中一个粒子会被黑洞的引力吸入视界线里面，另一个粒子则会因为失去了磨灭的伙伴，而有契机逃离黑洞的引力拘谨，扩散到天下空间中。从外部不雅测者的视角来看，这些逃离的粒子就像是黑洞“辐照”出来的，因此被称为“霍金辐照”。
更真谛的是，被吸入黑洞里面的时常是反粒子（举例正电子）。反粒子具有与正常粒子相反的电荷和能量，当反粒子参加黑洞后，会与黑洞里面的正常粒子（举例电子）发生磨灭，从而减少黑洞的质地。因此，霍金辐照的最终遵守是：黑洞会不断向外辐照粒子，同期自身的质地会不断减小——这一历程被称为黑洞的“挥发”。
黑洞的挥发速率与自身质地密切相干。霍金辐照的辐照量与黑洞的名义积成正比（名义积=4πr²，r为黑洞半径），而黑洞经受物资的遵守与自体魄积成正比（体积=4/3πr³）。这意味着：质地越大的黑洞，半径越大，经受物资的遵守（与半径的三次方成正比）远高于辐照遵守（与半径的二次方成正比），因此挥发速率脱落自若；而质地越小的黑洞，半径越小，辐照遵守会卓著吸奏凯率，挥发速率会脱落快。
曩昔瑞士大型强子对撞机（LHC）开动实验前，曾有大家惦记实验会撞出小黑洞，导致地球被黑洞并吞。霍金那时公开默示，这种惦记是过剩的——即使实验的确撞出了小黑洞，由于其质地极小，把柄霍金辐照的表面，它会在极短的时候内（可能唯一几纳秒）就挥发殆尽，根底莫得契机并吞地球。若是畴昔实验能够不雅测到小黑洞的挥发历程，霍金辐照的表面将得到考证，霍金也必将因此获取诺贝尔物理学奖——可惜的是，限制现在，LHC尚未制造出任何黑洞。
把柄质地的不同，物理学家们将黑洞分为三类：原初黑洞、恒星黑洞和超大质地黑洞。真谛的是，表面上还存在一种“中等质地黑洞”，但这种黑洞被认为是不可能存在的——这一论断背后，粉饰着粒子物理与天体物理的深远测度。
最初是原初黑洞。这是一种表面意象中的黑洞，现在尚未被不雅测到。把柄霍金的计较，原初黑洞的质地脱落小，梗概唯一1千克的一亿分之一（10⁻⁸千克）。之是以被称为“原初黑洞”，是因为这类黑洞唯一在天下大爆炸之初才有可能变成——天下大爆炸初期，能量密度极高，局部区域的物资可能会被相配压缩，从而变成小质地的黑洞。在正常的天下环境中，如斯小质地的物资无法自觉变成黑洞，因为其自身的引力不及以克服粒子间的拔除力，除非有外部的超高能量对其进行挤压，将其压缩到“史瓦西半径”以内。
这里咱们需要引入“史瓦西半径”的倡导：任何有质地的物体，只须被压缩到其对应的史瓦西半径以内，就会成为一个黑洞。史瓦西半径的计较公式为r=2GM/c²（其中G为万有引力常数，M为物体质地，c为光速）。举例，太阳的质地约为2×10³⁰千克，其史瓦西半径约为3千米——也便是说，只须将太阳压缩到半径3千米的球体以内，太阳就会成为一个黑洞；地球的质地约为5.97×10²⁴千克，其史瓦西半径约为9毫米——将地球压缩到橘子大小（以致更小），地球就会成为一个黑洞。
第二类是恒星黑洞，这是现在最常见的一种黑洞，其质地时常在太阳质地的3～65倍之间。恒星黑洞的变成与大质地恒星的演化尽头密切相干。一颗质地较大的恒星（质地大于8倍太阳质地）在其生命周期的末期，中枢的核响应会冉冉住手——核响应产生的向外的压力隐匿后，恒星自身的引力会占据优势，导致恒星的中枢急剧坍缩。当中枢的质地满盈大，坍缩后的半径小于其史瓦西半径时，就会变成恒星黑洞。
第三类是超大质地黑洞，其质地时常在太阳质地的几百万倍到几十亿倍之间。举例，星河系的中心就存在一个超大质地黑洞，其质地约为太阳质地的400万倍（这一论断已通过射电千里镜的不雅测得到考证）。对于超大质地黑洞的变成机制，现在物理学界尚未变成斡旋的定论，其中最被泛泛收受的意象是：超大质地黑洞是由恒星黑洞通过不断合并、经受周围物资冉冉成长而来的。此外，还有一种意象认为，超大质地黑洞是在天下大爆炸初期变成的“种子黑洞”基础上，不断吸积物资成长而来的。
在原初黑洞（小质地）、恒星黑洞（较小质地）和超大质地黑洞（大质地）之间，还存在一个质地区间——太阳质地的65～130倍，这一区间的黑洞被称为“中等质地黑洞”。把柄现存的物理学表面，中等质地黑洞是不可能存在的，这一论断的中枢是“对不厚实性”（pair-instability）效应，而这一效应的本色与粒子物理中的正反粒子磨灭表情密切相干。
{jz:field.toptypename/}咱们一经知说念，粒子与反粒子相逢后会发生磨灭，滚动为光子（举例电子与正电子磨灭会产生两个光子）。这一历程的逆历程相通可能发生：当光子的能量满盈高时，两个光子碰撞后会滚动为一双正反粒子（举例光子滚动为电子和正电子）。这一逆历程的发生，需要极高的能量密度——而大质地恒星的中枢，偶然称心这一要求。
一颗质地在100倍太阳质地足下的恒星，其中枢的引力极强，里面的压力和温度极高，导致中枢内的光子能量达到了滚动为正反粒子对的阈值。恒星之是以能够督察固定的体积，不被自身引力坍缩，是因为中枢核响应产生的光压与引力互相均衡。但当光子滚动为正反粒子对后，正反粒子对产生的向外的压力远小于本来的光压——这就导致引力占据完满优势，恒星的中枢会急剧坍缩。
这种急剧的坍缩会在恒星里面产生遍及的能量反扑：中枢的坍缩会导致里面的能量密度短暂飙升，产生热烈的爆炸，将恒星外部的无数物资抛射出去。这便是“对不厚实性”效应——它会导致大质地恒星在变成黑洞之前，将自身的大部分质地抛射出去，最终残留的中枢质地不及以变成中等质地黑洞（65～130倍太阳质地）。
而超大质地黑洞之是以能够存在，是因为其质地满盈大——即使发生了对不厚实性效应，抛射出去的物天资量也只占总质地的一小部分，剩余的质地依然足以变成黑洞。恒星黑洞之是以能够存在，是因为其质地较小（3～65倍太阳质地），中枢的光子能量不及以滚动为正反粒子对，不会发生对不厚实性效应，因此能够厚实地坍缩变成黑洞。唯一在65～130倍太阳质地的“中等质地区间”，恒星会因为对不厚实性效应抛射无数物资，无法变成黑洞——这便是中等质地黑洞被认为不可能存在的表面依据。
但2020年9月，物理学界出现了一个要紧的不测：发现引力波的LIGO（激光插手引力波天文台）不雅测到了一个奇怪的引力波信号。该信号来自两个黑洞的合并——其中一个黑洞的质地为65倍太阳质地，另一个为85倍太阳质地，合并后变成的黑洞质地为142倍太阳质地。85倍太阳质地的黑洞，恰平正于“中等质地黑洞”的表面禁区内。这一发现让物理学界堕入了困惑：要么现存的黑洞变成表面存在颓势，要么天下中存在一种全新的、从未被表面预言过的奇特天体。
这个奇怪的信号之是以令东说念主困惑，还有一个伏击原因：单个球形天体无法产生引力波。把柄广义相对论，引力波是由时空的剧烈扰动产生的，而中心对称的球形天体不会产生时空扰动，因此无法发出引力波。咱们现在不雅测到的所有引力波，齐来自两个天体（如黑洞、中子星）互相绕转、合并的历程——这种非中心对称的系统会剧烈扰动周围的时空，产生可不雅测的引力波。
若是85倍太阳质地的天体是一种全新的天体，那么它必须称心两个要求：一是质地满盈大（能够产生可不雅测的引力波），二是不具有中心对称性（能够产生引力波）。但把柄天体物理学的学问，质地如斯大的天体，其自身的引力会将其压缩成球形——中心对称性是大质地天体的势必属性。因此，这种全新天体的存在似乎也站不住脚。
无论最终的谜底是什么，这一发现齐是实验物理的要紧胜利——它揭示了现存表面的局限性，为咱们探索天下的未知范围提供了新的宗旨。粗略在畴昔的某一天，跟着不雅测技艺的跳跃和表面的完善，咱们能够解开中等质地黑洞的谜题，进一步揭开黑洞的好意思妙面纱。
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