宇宙黑洞論

宇宙黑洞論，主要研究對象在於彎曲的空間。

基本介紹

• 中文名：宇宙黑洞論
• 外文名：On the Black Hole of the Universe
• 會計：宇宙
• 類型：理論學術
• 研究對象：黑洞

黑洞的提出

1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳.貝爾發現了天空發射出無線電波的規則脈衝的物體，這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾在羅麥發現引力對光可有重要效應的基礎上，指出一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有如此強大的引力場，以致於連光線都不能逃逸，這種恆星正是我們現在稱為黑洞的物體。但當時的物理學家對此理解比較模糊，直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，一直沒有關於引力如何影響光的協調的理論。1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild,1873～1916年）通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面——“視界”,一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫.這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為“黑洞”.這是黑洞最早以“黑洞”這個名字出現。

摘要

宇宙黑洞

我們知道，這個黑洞的視界就是我們宇宙的空間邊界，在空間邊界以外如果有智慧生命，他們對我們宇宙內部的事一無所知。 如果我們的宇宙是一個黑洞，則在我們宇宙之外還有一個更大的宇宙，我們的宇宙僅僅是那個更大宇宙中的一個黑洞，當然，那個更大的宇宙也可能是一個黑洞。這就是黑洞套著黑洞了。

天文學家通過長期觀測發現，在宇宙中有一些引力非常大卻又看不到任何天體的區域，稱之為黑洞。黑洞是位居宇宙空間和時間構造中的一些深不見底的類似井狀的東西，具有極大的吸引力，包括光在內的任何物體都無法逃脫被吸入的命運。這就使得人們對於黑洞的研究變得異常困難：它既不向外散發能量，也不表現出任何形式的能量，人們根本無法看到它。因此，人們對於黑洞的研究就象是對一種看不見的東西進行研究。

科學家們認為，黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，當一顆質量相當大的星體核能(氫)耗盡後，沒有輻射壓力去抵抗重力，平衡態不再存在時，這個星體將全面塌縮。質量小一些的恆星主要演化成白矮星，質量比較大的恆星則有可能形成中子星。根據科學家的計算，當中子星的總質量超過三倍太陽的質量時將再沒有什麼力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。若其質量仍大於4個太陽質量時，那么連中子的氣體壓力也不能平衡重力，星體將繼續塌縮至它的重力半徑範圍之內。這時，引力之大足以使一切粒子，包括光子，都被引回星體本身，不能外逸，就形成了引力極強的黑洞。黑洞可以吞噬附近的一切物質，它先將物質吸引到附近圍繞它們高速旋轉；隨著轉速的加快，物質變為炙熱的電漿，並逐漸靠近黑洞旋轉中心；當它們最終接近黑洞時，就會被吞噬。

通常，黑洞是無法被發現的，但是也有例外：如果在它附近有氣團，則會產生飛向黑洞的氣流，於是氣流也暴露了黑洞的位置。眾所周知，在壓縮時氣體物質會被加熱到幾百萬度，同時產生強烈的X射線輻射。用X射線觀測望遠鏡就可以探測到黑洞的存在。2004年，著名的“錢德拉”X射線觀測望遠鏡發現了一顆巨大黑洞的X射線，並將其命名為“SDSSpJ306”，它位於距離我們地球26億光年的MS0735星團。天文學家通過對這些X射線和其所在星系的重力影響一起進行檢測，推測它“出生”於127億年前———而宇宙大爆炸發生在137億年前。這說明，黑洞與星系同時演化，兩者誰也不會單獨主導早期宇宙中星體的快速誕生。 在此次觀測中，天文學家們還在處於星系中心的“SDSSpJ306”黑洞的周圍發現了許多新生星體，而且更多的星體正在形成之中。該發現給新出現的星系形成演化理論提供了重要的直接證據。

科學家們認為，黑洞是有質量的。黑洞一般被旋轉的熱氣體圓盤所包圍，這些熱氣體在以螺旋運動逐漸被黑洞吸收時會發出大量的電磁輻射。黑洞附近發光的氫原子譜線寬度與旋轉速度有關。旋轉速度越快，氫原子發出的譜線越寬，說明黑洞的質量越大。通過對氫原子譜線研究發現，“SDSSpJ306”黑洞有10億個太陽重，所產生的能量更是太陽的20萬億倍。這個黑洞如此之大，以致它的引力作用範圍大小與銀河系相當。在這個黑洞吞噬星團的同時，還將一些熱氣體以射流形式噴還給宇宙，形成了兩個巨大洞穴，每個洞穴的直徑大約為65萬光年。黑洞再次噴發出來的氣體質量，相當於1萬億個太陽質量，這種噴射已經持續了1億年之久。

黑洞有大有小。超巨黑洞的質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。小黑洞的質量與太陽基本處於一個數量級，主要由質量相當於太陽10倍左右的恆星發生超新星爆炸形成。超巨黑洞位於星系中心，據推測每個星系都有，質量一般約為星系總質量的0.5%。2002年10月，歐洲科學家宣布了銀河系中心存在超巨黑洞的最佳證據。他們說，過去20年中，科學家們一直在觀測銀河系中心一些星體的活動情況，尤其對一顆名為S2的星體的運行軌道進行了跟蹤研究，最終得出結論：S2附近確實存在一個巨型黑洞。質量是太陽7倍的S2，以每小時1.8億公里的高速每15.2年繞銀河系中心一周。之所以如此高速，是因為它周圍存在黑洞，“害怕”被黑洞“吞噬”。經過計算，這一黑洞距地球2.6萬光年，質量是太陽的370萬倍。 銀河系中心黑洞每年“食量”不足地球質量的1%。黑洞“食量”是根據它吞噬“食物”時發出X射線的強弱程度計算出來的。科學家還提出，如果黑洞獲得了源源不斷的“食物供給”，就可能從相對安靜的狀態中“醒來”，處於活躍狀態中。 黑洞的視圖

黑洞的種類

按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成，它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉，其內部產生巨大的負壓以吞噬物體，從而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基礎，也是星團、星系團形成的基礎。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時，我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。但物理黑洞的體積卻非常小，它可以縮小到一個奇點。 ；另外還有白洞與之相對。

暗能量黑洞的形成

根據科學家們的推算，宇宙大爆炸大約發生在137億年以前。宇宙大爆炸之後，就形成了宇宙。它由兩部分組成。一是由暗能量組成的世界，稱之為黑暗世界；二是物質組成的世界，稱之為物質世界。黑暗世界以旋渦場的形式存在，整個宇宙空間都被各種不同大小的旋渦場所充滿。而物質世界則主要是以宇宙塵埃的形式存在,它們不均勻分布在各個旋渦場之中。在一個如星系般大小的旋渦場中，以Ep來表示宇宙塵埃繞它的旋渦中心運動的總動能。該旋渦場內的暗能量則分為兩部分。一部分為旋渦中心的暗能量，以En1來表示。另一部分為旋渦中心之外的暗能量，用En2來表示。以En來表示星系的總暗能量，則有En=En1 En2。宇宙塵埃的運動是由暗能量來推動的。當En=Ep時，暗能量將全部轉化為宇宙塵埃運動的動能。在這種情況下，旋渦場處於一種平衡狀態，它既不收縮，也不膨脹。

恆星的形成

當旋渦場內的宇宙塵埃很多時，Ep值比En大很多,即暗能量的旋轉負荷太重。在旋渦場的旋轉角速度不變的情況下，我們可以得到宇宙塵埃繞旋渦中心運動的總動能公式，如下所示：

Ep=MpVp2/2=Mp(ωR)2/2…………（6）

上式中，Vp為宇宙塵埃繞旋渦中心運動的平均速度，Mp為旋渦場中宇宙塵埃的總質量，ω為旋渦場的旋轉角速度，R為宇宙塵埃到旋渦中心的平均距離。根據這條公式，當宇宙塵埃向旋渦中心靠近時，Ep值就會減少。當Ep值比En大很多時，旋渦場的轉動負荷太重。在這種情況下，旋渦場必定收縮，宇宙塵埃必定向旋渦中心靠近，最後沉積到旋渦中心處變成沉積物。隨著時間的推移，旋渦中心處的沉積物越來越多，最後變成了一顆恆星。恆星形成之後，當En=Ep時，其餘的宇宙塵埃就再也不能沉積到旋渦中心。這些餘下的宇宙塵埃就會在較小的旋渦場中形成圍繞恆星運動的自轉行星。

星系的形成

當旋渦場很大,宇宙塵埃很多,En值與Ep相差不多時，旋渦場就處於一種平衡狀態。在這種情況下，這些宇宙塵埃就無法靠近旋渦中心。這個大旋渦場中有無數個較小的旋渦場。象上述(1)所說的那樣，每個小旋渦場形成一個恆星，無數個小旋渦場就會形成無數個恆星。這些小旋渦場都跟隨大旋渦場旋轉，由此而形成星系。

宇宙旋渦的形成

當旋渦場內沒有宇宙塵埃,即Ep=0時,旋渦場會不斷地膨脹。當旋渦場內的宇宙塵埃很少時，它的總動能與暗能量相差太遠，不足以阻止旋渦場的膨脹，結果，它會被旋渦場的旋轉離心力拋出場外。到最後，旋渦場內將不存在任何宇宙塵埃。內部沒有宇宙塵埃的旋渦場，它的旋轉角速度是均勻的。旋渦場在離心力的作用下不斷膨脹，它邊緣的暗能量的運動速度也在不斷增加。但當它的周圍都有大小與它相差不多的旋渦場時，它的膨脹就會受阻。在這種情況下，旋渦場旋轉的角速度以及暗能量運動的速度就相對穩定了下來，由此而形成一個不停地轉動的宇宙旋渦。當星體順著這種宇宙旋渦的旋轉方向進入時，它就會被旋渦場的旋轉之力彎轉1800。接著，旋渦場用離心力推動它按原路返回。離開太陽系很遠的慧星之所以能夠返回太陽附近，所依賴的就是這種宇宙旋渦的力量。

旋渦場的分類

我們把宇宙旋渦場按大小分為如下八種：

U旋渦場：又叫宇宙旋渦場，它的範圍包括整個宇宙。

S旋渦場：又叫星糸團旋渦場，它的範圍包括整個星糸團。

A旋渦場：又叫叫星系旋渦場，它的範圍包括整個星系。

B旋渦場：又叫星團旋渦場，它的範圍包括整個星團。

C旋渦場：又叫恆星旋渦場，它的範圍被局限於恆星周圍，包括所有行星的運行軌道。

D旋渦場：又叫行星旋渦場，它的範圍被局限於行星周圍，包括所有衛星的運行軌道。

E旋渦場：又叫衛星旋渦場，它的範圍被局限於衛星周圍。

F旋渦場：比E類旋渦場小的旋渦場。

星系黑洞的形成

在每個星系的中心都有一個旋渦場，稱之為星系旋渦中心。根據上述星系的形成原理，在它剛形成的時候，星系旋渦中心是沒有宇宙塵埃的。在旋轉離心力的作用下，它自然會向外膨脹。但在它的周圍布滿了很多大小與它相當的旋渦場，所以，它的膨脹受阻。各種旋渦場的旋轉離心力在旋渦場邊緣互相對抗，不斷地進行對比和較量。經過很長一段時間之後，它們的對抗之力達到一種相對平衡狀態。最後，星系旋渦中心的範圍就被固定了下來。

由於星系旋渦中心是星系旋渦場的動力中心，所以，它內部貯藏的暗能量在星系中是最強大的。在強大暗能量的推動下，星系旋渦中心的旋轉速度越來越快，暗能量在強大離心力的作用下不斷地向旋渦中心的邊緣集中，星系旋渦中心的中部地帶的暗能量不斷地被抽走，越來越少。最後，星系旋渦中心的內部就變成了一種真空狀態，至此，它的旋轉速度才能穩定下來。而星系旋渦中心的邊緣就形成了一個由高速旋轉的暗能量組成的圓盤，它把星系旋渦中心緊緊地包圍了起來。這個高速旋轉的圓盤帶動周圍的氣體運動，使之發生激烈磨擦而發熱，由此而變成了一個熱氣體圓盤。這個內部成為真空狀態的星系旋渦中心就是一個暗能量黑洞，稱之為星系黑洞。

星系黑洞被一個熱氣體圓盤所包圍。這個圓盤的旋轉速度有多大呢？在星系黑洞的形成過程中，它內部是沒有質量的，即在旋渦中心內部不存在物質運動的動能。所以，它的虛擬質量為零。根據暗能量的動能公式En=MnVn2/2，當虛擬質量Mn=0時，圓盤中暗能量的速度Vn將達到無窮大。但實際上，宇宙黑洞會吸入物質，所以，圓盤的速度不可能達到無限大。將光子的性質與這個圓盤進行比較，兩者的質量都接近零。由此類推，這個熱氣體圓盤的旋轉速度應該接近光速。

由於星系黑洞是A旋渦場的旋轉中心，所以我們又稱之為A黑洞。

星團黑洞

在星系中有很多B旋渦場。當B旋渦場內有很多宇宙塵埃，En值與Ep相差不多時，B旋渦場就處於一種平衡狀態。在這種情況下，這些宇宙塵埃就無法靠近旋渦中心。B旋渦場內也有很多C旋渦場。象上述(1)所說的那樣，每個C旋渦場形成一個恆星，很多C旋渦場就會形成很多恆星。這些恆星圍繞B旋渦場的中心旋轉，由此而形成一個星團。

在每個星團的中心都有一個旋渦場，稱之為星團旋渦中心。很顯然，星團旋渦中心內部是沒有宇宙塵埃的。最後，它也象星系旋渦中心一樣發展為一個暗能量黑洞，稱之為星團黑洞。很顯然，星團黑洞比星系黑洞小很多。星團黑洞的形成過程請參看第(5)部分內容。

由於星團黑洞是B旋渦場的旋轉中心，所以我們又稱之B黑洞。

星系團黑洞

宇宙中有很多S旋渦場。當S旋渦場內聚集到很多星系時，就會形成一個星系團。產生星系團的條件是：星系繞星系團中心旋轉的總動能約等於S類旋渦場的暗能量。在每個星系團的中心有一個旋渦場，稱之為星系團旋渦中心。最後，它也象星系旋渦中心一樣發展為一個暗能量黑洞，稱之為星系團黑洞。由於它是S旋渦場的旋轉中心，所以，又稱之為S黑洞。星系團黑洞的形成過程請參看第(5)部分內容。

宇宙中心黑洞

宇宙是一個大旋渦場，稱之為U旋渦場。它的範圍包括整個宇宙。所以，U旋渦場的中心就是宇宙的中心。在宇宙的中心有一個旋渦場，稱之為宇宙中心旋渦場。最後，它也象星系旋渦中心一樣發展為一個暗能量黑洞，稱之為宇宙中心黑洞。由於它是U旋渦場的旋轉中心，所以又稱之為U黑洞。宇宙中心黑洞的形成過程請參看第(5)部分內容。

綜上所述，暗能量黑洞分為四種類型，從大到小排列如下：U黑洞、S黑洞、A黑洞和B黑洞。U黑洞是宇宙中最大的黑洞，而且它是宇宙的旋轉中心。

黑洞引力公式

根據上述理論，暗能量黑洞由如下兩部分組成：一是熱氣體圓盤，二是被熱氣體圓盤所包圍的宇宙真空。很顯然，在熱氣體圓盤的內部和外部之間形成了一種壓強差，它內部的壓強比它外部低很多。我們用P1和P2分別來表示熱氣體圓盤的外部壓強和內部壓強，用P來表示它們的正壓強差，則P=P1-P2。很顯然，正壓強的方向是從熱氣體圓盤的外部指向它的內部的。用V來表示熱氣體圓盤的旋轉速度，用En1來表示它的暗能量。用L來表示黑洞的體積。則，我們可以得到如下公式：

P=KEn1V/L …………（7）

公式(7)中，K為一個比例係數，稱之為暗能量黑洞的引力常數。公式(7)的意思是：黑洞內外的正壓強差與黑洞內的暗能量和黑洞圓盤的旋轉速度的乘積成正比，與黑洞的體積成反比。

當一個物體接觸熱氣體圓盤時，兩者之間就會產生一個接觸面積，用S來表示。我們用F來表示黑洞對該物質的吸引力，則可得到如下公式：

F=PS=KSEn1V/L …………（8）

公式(8)就是黑洞對物體的引力公式。很顯然，黑洞對物體的引力與物體的質量大小無關。對於巨大黑洞來說，它的暗能量非常強大，它的旋轉速度接近光速。所以，這種黑洞的引力非常巨大。

黑洞吸引物體是有一個過程的。當物體在黑洞的周圍但未接觸黑洞的熱氣體圓盤時，物體被黑洞吸引的受力面積S=0，則黑洞對物體的引力F=0。它意味著，黑洞外部的物體運動與黑洞的引力無關。星系中所有的恆星都繞黑洞運動，是因為黑洞是星系旋渦場的旋轉中心，而不是因為受到黑洞引力的作用。

當物體接觸熱氣體圓盤時，它就會受到黑洞的引力。但剛接觸時的引力很小，而圓盤周圍的氣流速度卻非常大。在這種情況下，物體必然被圓盤氣流帶動，並跟隨氣流而去。隨著物體與圓盤的接觸面增大，黑洞對物體的引力也在增大。當黑洞對物體的引力比物體繞黑洞運動的離心力大時，它就會被吸入黑洞之中。這種情況表明，雖然黑洞的引力與物體的質量無關，但物體被黑洞引力吸入洞內的過程卻與物體的質量有關。

在物體進入黑洞之後，該物體就會被黑洞內部的壓強所包圍。物體內部的壓強與它在黑洞外部時的壓強相等。所以，在物體的內部和外部之間就形成了一種壓強差，根據公式(7)就可以求出它的值。正壓強差的方向是從物體內部指向外部的，受力面積包括物體的全部表面。結果，物體的整個表面同時受到強橫無比的拉力，在剎那之間它就會被這種強大的拉力撕得粉碎，最後變成了氣態狀。

當光子進入黑洞時，它也會被黑洞的引力所包圍。光子內部的壓強與它進入黑洞之前是一樣。所以，在光子的內部和外部之間就會形成強橫無比的壓強差。結果，象上面所敘述的一樣，在光子進入黑洞的剎那之間就會被黑洞的引力撕得粉碎。所以，在光子進入黑洞後，它是無法從黑洞中逃出來的。

結論

包括光子在內的任何物體，它們進入暗能量黑洞之後都會在剎那之間爆炸開來，變成氣態狀。