为何引力能压缩物质成黑洞?
想象一下,如果我们身边的物体体积变得越来越小,并且越来越致密,最终会发生什么?这种情况听起来像是科幻小说中的故事,但在物理学上,这是可以发生的。当物体聚集到足够小的时候,引力就会变得非常强烈,甚至强大到让它们能够吞噬一切附近的物体。这就是黑洞的起源。那么,什么是黑洞?为什么引力会如此强大?本文将为您详细解释这些问题,同时探讨引力是如何将物质压缩成黑洞的。
四种基本相互作用力
自然界中存在着四种基本作用力,分别是强力、弱力、电磁力和引力。强力是最强大的作用力,只能在微小的距离范围内发挥作用,主要作用于原子核中。在束缚核子的强力下,原子核可以保持相对稳定而不崩溃。弱力的作用距离更短,只能在微观层面发挥作用,例如在核子和夸克之间。弱力制约着放射性现象的发生。电磁力在带电粒子之间发挥作用,是我们生活中最为常见的力。在物理学上,电磁力是通过光子这种玻色子作为载体交换产生的。引力是四种基本作用力中作用范围最广但作用强度最弱的一种力,它的存在无处不在,并且决定着整个宇宙结构的形态。
引力——关键的力量
尽管相对于其他的基本作用力而言,引力的强度微乎其微,但它在很多方面都扮演着关键的角色。任何物体在地球表面上不断受到地球引力的作用,但我们依然可以轻松地举起物体,从这个例子中,我们可以看出引力非常弱。而如果我们将任何物体压缩到足够小的程度,引力的作用就会变得非常强大。只要质量足够大,同时聚集的范围足够小,引力就能够将物体压缩成黑洞。
黑洞的形成
黑洞是一种非常奇特的物体,它被称为“自然界中物质压缩到极限的结果”。当恒星耗尽燃料之后,核聚变的外推力和引力失去了平衡,引力开始无限增强。在引力的作用下,恒星开始坍缩并向内塌缩,形成更加致密的致密物质,例如白矮星或中子星。如果质量足够大,坍缩的恒星会形成一个黑洞。黑洞的出现是基于引力的作用,在物体压缩到非常小的时候,引力会变得无限强大,压缩过程最终会让物质塌缩成一个奇点,即黑洞的中心。人类目前对黑洞和较小量级的密度极高的物体的研究取得了很大的进展,但这一进展还不能够完全揭示黑洞或极端致密天体的奇异和复杂特性。
没有证据能够证明当前物理学能够完全应用于黑洞。 牛顿力学是17世纪下半叶出现的。等到18世纪人们通过实验和天文观测结果得到光速之后,就有人基于牛顿力学而预测了一种逃逸速度等于光速的天体,它要么密度正常但半径极大质量远大于太阳,要么密度极大半径极小质量接近或大于太阳。在那个时代,人们不知道光速是速度的上限,这种预测有趣,但不足以吸引其他科学家深入研究。 这种状态在20世纪发生了变化,这源自爱因斯坦所提出的广义相对论。这种理论是一种研究引力的理论,比牛顿万有引力定律更基础,认为能量&质量的分布会改变它周围的时空状态,而且爱因斯坦提出了一个很复杂的方程(叫做引力场方程),可以根据能量/质量而计算出时空的状态。在它问世后的第二年,史瓦西在第一次世界大战战场上根据这个方程发现了一种比较奇特的空间,它是由极大密度物体所激发的,半径很小,而且物质或辐射一旦进入其中就再也出不来。史瓦西虽然没有说明,但这就是第一种基于广义相对论的黑洞模型。随着时间推移,人们逐渐通过广义相对论而计算出了更多黑洞模型,并根据黑洞的具体特点而将其分类,例如史瓦西黑洞就是一种没有自转(角动量是零)、不带电荷(电荷量是零)而具有质量的黑洞模型,而克尔黑洞则是角动量、电荷量和质量都存在的黑洞。霍金更推进了黑洞研究,将热力学原理与黑洞物理学相结合而催生出黑洞热力学,并得到了霍金辐射等预言。一代代物理学家孜孜不倦的工作让人们意识到,黑洞与其说是一种天体,不如说它其实是一片特定的时空,它的特点是只进不出,而这种特点是由具有特定状态的物质所带来的。例如在广义相对论看来,史瓦西黑洞除了它的中心点之外其实是一片时间变成空间、空间变成时间且没有物质分布的特殊时空,物质或辐射一旦进入其中就会逐渐来到其中心点而没有反向的运动,但这种推定在中心点那里无效,而整片时空中存在质量,所以质量应该仅限于中心点那里,把那里变成了一个奇点。 之所以研究黑洞要使用广义相对论引力场方程是因为牛顿万有引力定律不适用于黑洞这种强引力场景,而广义相对论可以。然而广义相对论在研究黑洞时同样存在局限性,史瓦西黑洞中心的那个奇点本身就有点怪怪的(不少时候物理学讨厌无穷大,而中心点体积为零却有质量),在深入分析这片时空时还需要使用量子力学,例如霍金辐射就是霍金借助于量子力学得到的预言。这就是说,真正将黑洞研究透彻需要使用量子引力理论,这是当代物理学的空白(最多有点点星光,与宏伟壮观的物理学大厦还差得远)。按照当前的理论,黑洞会表现出霍金辐射。这是一种让黑洞不再纯黑的辐射,其光度远低于正常恒星,而且随着质量增加而减少(恒星质量越大则光度越大)。由于这种性质,正常黑洞的能量会以极其缓慢的速度降低,但根据狭义相对论质能转换方程,能量降低则质量也低,所以黑洞霍金辐射的功率会越来越大,当其质量足够小的时候就会在一次剧烈的辐射(爆发)中消亡。然而,霍金辐射由于功率太低,甚至超出了当代天文观测的精度极限,至今仍然停留在预测阶段,虽然没有足够有力的反对意见。 这就是说黑洞虽然只进不出但并非没有终点,相比之下太阳这种小个头恒星在耗尽聚变燃料即氢氦元素后会变成白矮星,白矮星会通过黑体辐射的形式而降温,进而降低表面温度,经过褐矮星而变为黑矮星,这种基本冷却了的天体基本是恒星演化的尽头,但没有已知机制会破坏它。 至于宇宙的终局,那就更是量子引力理论的舞台,当代所有推论都仅限于初期或中期探索,与盖棺定论还差得远。在当代物理学/宇宙学中,宇宙宇宙的终局可以分为大坍缩、大撕裂、大冻结三种情况,其中要么宇宙极度挤压为奇点,要么宇宙被暗能量崩解、物质粒子四散而开,要么宇宙膨胀为接近绝对零度的迷茫,其中都没有黑洞的事。由于人们不需要严格使用量子力学就能够得到这三种情况,这种缺陷让它们都仅限于猜测和预言。
黑洞并非宇宙的终极遗骸,从宇宙整体演化规律来看,最终也绝不会只剩下黑洞,各类天体的消亡节奏、黑洞自身的衰变,都会让宇宙走向更彻底的死寂,而非黑洞的“独霸”。先说说黑洞的最终归宿,核心只有一个,霍金辐射主导下的蒸发消亡。这是霍金提出的量子效应,简单说,黑洞并非完全只进不出,会在事件视界边缘持续释放微弱的辐射,缓慢损失质量和能量。这个过程的快慢,和黑洞的质量成反比:超大质量黑洞(比如星系中心的亿倍太阳质量黑洞)蒸发极慢,耗时远超当前宇宙年龄的无数倍,约10¹⁰⁰年量级,恒星级黑洞(几倍到几十倍太阳质量)蒸发稍快,但也需要10⁶⁷年以上,而理论中的微型黑洞,会以极快的速度蒸发,甚至瞬间爆炸。无论质量大小,只要时间足够长,所有黑洞最终都会通过霍金辐射蒸发殆尽,最后可能以一次高能爆炸收尾,化作宇宙中的基本粒子,彻底消失。在黑洞蒸发之前,宇宙里的其他天体早已先一步走向消亡,这也是宇宙不会只剩黑洞的第一层原因。恒星是宇宙中最核心的发光天体,而恒星的形成依赖星际气体和尘埃。随着宇宙持续膨胀,星际物质会被不断稀释,新恒星的形成会在数万亿年后彻底停止。现存的恒星会依次走完生命周期,大质量恒星坍缩成黑洞或中子星,中小质量恒星比如太阳会变成白矮星,最终冷却成不发光的黑矮星,中子星也会慢慢冷却、失去磁场,变成死寂的中子黑星。这个阶段,宇宙的主要天体是黑洞、黑矮星、冷却的中子星,黑洞确实是此时宇宙中最活跃的天体,尽管也毫无辐射,但并非唯一。而更关键的是,黑洞的蒸发节奏,让它无法成为宇宙的最后存在。当宇宙进入只有致密天体的阶段后,黑矮星、冷却中子星这些天体,不会再发生任何核反应或引力坍缩,只是静静漂浮在膨胀的宇宙中,本身不会转化为黑洞,它们的质量未达到黑洞的临界值,且宇宙中已无足够的物质和引力环境,让它们相互碰撞融合成黑洞。也就是说,宇宙中黑洞的总量,在恒星形成停止后就基本固定,不会再增加。接下来,就是所有黑洞按质量从小到大,依次进入霍金辐射的蒸发过程,而黑矮星、冷却中子星这些天体,会比黑洞存在更久,目前理论中,这类致密天体无自发消亡机制,只会随宇宙膨胀持续冷却。即便把时间拉到极致,等所有黑洞都蒸发殆尽,宇宙中还会剩下这些冰冷的致密天体,以及黑洞蒸发产生的、无限稀释的基本粒子。此时的宇宙,没有任何能产生能量的天体,没有光,没有热,只有冰冷的粒子和死寂的致密残骸,漂浮在无限膨胀的空间中,这也是宇宙热寂的终极状态,远比只剩黑洞更彻底的消亡。还有一点,宇宙的加速膨胀,会从根本上切断天体融合成黑洞的可能。暗能量主导的加速膨胀,会让遥远的星系彼此远离,甚至超光速,宇宙中的物质会被分割成一个个孤立的宇宙岛,岛内部的天体碰撞概率也会变得极低。眉有大规模的物质碰撞和融合,就不会有新的黑洞形成,现存黑洞的数量只会减少,不会增多,自然无法成为宇宙的唯一。所以,黑洞的归宿是霍金辐射下的彻底蒸发,而宇宙的演化,只会让黑洞成为中间阶段的主要天体,而非最终形态,最终的宇宙,是连黑洞都消失后的、冰冷空矿的热寂状态。 |