22个黑洞知识问答，让你脑洞大开！

宇宙天使

科学上预言存在的一种天体。它有巨大的引力场，有一个封闭的视界，外来的辐射和物质可以进入它的视界以内，而它自身视界内的任何物质却不能跑到外面。因此人们只能根据引力作用来预测它的存在而不能真正地看到它。

1        * 请问虫洞是什么?目前人类的科技有没有办法把光吸住，像磁铁吸铁一样?
2        * 先有黑洞还是先有星系？
3        * 黑洞自转对其形状有何影响？
4        * 黑洞自转的极速为何？
5        * 黑洞内部的温度及状况如何？
6        * 黑洞也能捕捉重力波吗？
7        *黑洞可以多大？多热？
8        * 如果黑洞穿过虫洞会有何结果？
9        * 两个黑洞相撞会有何结果？
10        * 黑洞与白洞相撞会如何？
11        * 如果能幸存于黑洞中，会看到何种景象？
12        * 有证据显示虫洞确实存在吗？
13        * 黑洞内的温度为绝对零度吗？
14        * 用黑洞作时光旅行可能吗？
15        * 黑洞会“长大”吗？
16        * 如果黑洞进入太阳系，地球会受影响吗？
17        * 如果太阳突然变成黑洞，地球轨道会改变吗？
18        * 宇宙中有白洞存在吗？
19        * 黑洞是超新星遗留的产物吗？
20        * 何人订出“黑洞”一词？
21        * 什么是“灰洞”？
22        * 黑洞究竟是什么？
1.请问虫洞是什么?目前人类的科技有没有办法把光吸住，像磁铁吸铁一样?

将黑洞与白洞连接在一起，就成为虫洞。您可以参考史蒂芬.霍金（Stephen Hawking）所著的科普书籍，例如『胡桃里的宇宙』一书； 不行。目前的理论认为，大质量的天体可以扭曲时空，使光线的行进路线弯曲；而质量如果压缩在一个很小的区域内，成为黑洞，就可以将经过其附近的光线吸引进去，以太阳为例，将其压缩在半径3公里的球中，就成为一个黑洞，其密度是水的一亿亿倍以上。目前人类并没有能力制造出密度如此高的物质。
2.先有黑洞还是先有星系？

原则上，原始黑洞的质量可能只有太阳的数倍而已，但似星体每年所产生的能量相当于1~5 倍太阳质量转换而来，以这样的消耗速率，就算质能转换效率为50%，一个十亿倍太阳质量的巨大黑洞也只需要几十亿年便可以形成了，以宇宙现在的年龄来看是绰绰有余的，而且实际上只需要一个很小的黑洞便足以开始凝聚质量。从我们现有观测的资料来看，下面这种途径是倒是很有可能的。在大霹雳后几千万年内，第一颗恒星开始形成，较重的恒星经过几百万年便会发生超新星爆炸形成黑洞，这些黑洞又可能会吸入其他物质并合并成较大的黑洞。我们并不清楚细节，但是在理论力学上成立的。究竟是否先有黑洞形成才凝聚出星系结构，是非常值得探讨的问题，但是否绝对必须经由黑洞之途，就不一定了。
3.黑洞自转对其形状有何影响？

在广义相对论中，黑洞有以下几种基本型态︰
史瓦兹黑洞 (Schwarzschild Black Holes)︰不旋转，为正球形。它的范围边界为事件地平面，其体积仅与质量有关。半径= GM/c 2，或者每太阳质量半径为2.6公里。
克尔黑洞 (Kerr Black Holes)︰它的角动量不为零，表示它是旋转的黑洞。它们的外表与史瓦兹黑洞类似，但由于座标系统的Lenz-Tirring效应之故，所以外层事件地平面外部的时空为非静态。这使得绕其转动的星体，每绕行一周，转轴便会稍有变化，即使质量很大者也不例外，只是变化稍小而已。克尔黑洞的内部十分复杂，甚至从赤道进入与从极区进入的观察者所看到的都不同。克尔黑洞的奇点也不再是一个点，而是座落在赤道面上的一个“环”，其半径取决于黑洞的自转量。如果您从赤道面进入黑洞，将会落入奇点；但是若从极区进入，您将不会落入奇点而直接穿过赤道面。有许多关于利用克尔黑洞进入其他宇宙及时光隧道的推想，但问题是克尔黑洞没有静态的内部几何结构，惊人的重力辐射使跨宇宙旅行取决于时间，还有可怕的潮汐重力，除非能找到质量够大的黑洞，其内部的重力潮汐拉力才可能较小。
克尔-纽曼黑洞 (Kerr-Neumann Black Holes)︰类似Kerr黑洞，不同的是它多了角动量，同时也多了电荷量。这表示当它们自转时，外界的观察者可以侦测到扫过的黑洞磁场，内部的结构则大致与Kerr黑洞相同。因此，外部的观察者只能以三个量来描述黑洞︰质量、角动量与电荷，而无法知道黑洞内包含了多少的夸克或电子、已落入外层事件地平面内的物质几何分布等，正如理论物理学家所言︰“黑洞没有毛发！”。
4.黑洞自转的极速为何？

“最大Kerr”黑洞的事件地平面可以光速自转。从几何学上来看，这种黑洞与非自转黑洞十分不同，因为它的事件地平面与其无限红位移的表面并不重合。所以沿着赤道面处，有两个“类地平面”的表面，只有内层的事件地平面是“毁灭性的”。介于内外两层表面之间的区域称为“ergosphere”，是可以通行的，其间有许多有趣的物理现象，例如，可以从中粹取出黑洞的能量。
5.黑洞内部的温度及状况如何？

答案是︰没有定义。如果您进入黑洞之中，首先会先通过事件地平面，进入一个完全是空的时空系统，只有恒星陷缩的奇点。虽然是空的时空系统，但其中可能存在着重力辐射，却没有任何可以“测出温度”的介质。虽然在数学上可以预测出许多黑洞中奇特的状况，如时空旅行等，但是却很少人提及是否黑洞真的会以恒星陷缩的形式产生。根据超级电脑的计算，陷缩的过程可说是非常混乱。自转黑洞曾被认为是通往其他宇宙的大门，或者是进入时光隧道的入口，但是经过研究恒星所形成的黑洞物理性质后发现，这些黑洞的内部充满了巨大的重力辐射通量，粉粹了黑洞之旅的几何可能性。如果黑洞在宇宙诞生后即形成，那么其内部除了奇点外一定空无所有，但是如果黑洞是由后来的超新星爆炸过程所产生的，那么在您进入事件地平面后所看到的黑洞内部会稍有不同，因为时间尺度在您的座标系统与陷缩星表面的座标系统之间有极大的差异。从外部看，您会发觉恒星的核心越来越接近其事件地平面，而且速度越来越慢，直到最后它似乎停止收缩并完全变暗，核心收缩的速度慢到似乎数十亿年才收缩几公分。此时，如果您在火箭中冲向黑洞，您会发现整个星球的表面完全在事件地平面之内，被奇点吞没。
6.黑洞也能捕捉重力波吗？

是的。任何在史瓦兹半径内被加速的物质都会进入非静态的时空系统中，一般相信在旋转黑洞内部与物质从外部落入黑洞的过程中都会产生重力辐射，但是只有在事件地平面外部的重力波能够逃逸，但在其内部的则不可能逃逸出来。
7.黑洞可以多大？多热？

事实上，最大的黑洞就是温度最低的黑洞，它们的所谓霍金温度(Hawking) 只有绝对温度数十亿分之一度，最热的黑洞也是最小的黑洞，质量小于一百万兆克，它们的温度从百万度可以升高到蒸发时的数百万兆度。
8.如果黑洞穿过虫洞会有何结果？

端视黑洞与虫洞的大小而定。如果虫洞比洞的事件地平面大很多，则虽然正在穿过一个巨大的重力场，黑洞可能还是维持其本身的座标系统。如果虫洞与黑洞的大小相差不多，我对其结果就完全没有概念了，因为这是广义相对论中最难解的问题之一，需要以超级电脑加以运算。假如虫洞比黑洞小很多，我想这个虫洞在进入事件地平面内黑洞之后，会使黑洞内的时空状态有局部性小的变化，并产生重力辐射波，但在黑洞之外完全无法观察到其变化。
9.两个黑洞相撞会有何结果？

当两者相距仍有一段距离时，它们之间的重力交互作用与一般正常星体无异。一个太阳质量的黑洞直径约2 公里，当它们相距约几百公里时，其外形开始变形，即事件地平面已不再是球面( 如果是非自转黑洞)。当它们更靠近时，在巨大的加速力下，所有加速的物质都会放出重力辐射，双黑洞系统的能量由此流失。由于质量与能量在物理上是等效的，所以双黑洞系统的能量流失相当于其总质量的减少。在几分钟内，两个黑洞的事件地平面开始互相穿透，如果您能目睹这整个过程，将会看到两个黑洞合并成一个新的黑洞，其质量因重力辐射而比先前两个黑洞质量之总合稍低。根据超级电脑的计算结果，合并所造成的质量损失约10%，新黑洞的表面积也比先前两者之合略小。
10.黑洞与白洞相撞会如何？

我想两者之有效质量会立即转化为重力辐射，但是事件地平面是否会消失则不确定。据我所了解，关于这个问题的解答尚未由超级电脑计算出来。如果您已经知道答案，不妨提供大家参考。
11.如果能幸存于黑洞中，会看到何种景象？

坦白说，没有人知道答案！我从来没有看到过相关的计算结果，从广义相对论导出的黑洞的解，通常依其几何性质而有不同的时空变化，所能看到的一切景象一定是处于剧烈的光学曲变状态，就像万花筒一般，所有的辐射，依其光源不同而呈现不同的红位移与蓝位移。除此之外，我什至不知道该从何去思考这个问题。
12.有证据显示虫洞确实存在吗？

没有，至今尚未发现这个在爱因斯坦相对论中所导出奇特的解之确实证据。但是，其他的解，如黑洞、宇宙膨胀、重力辐射等，则均已获得确切的证明。但是许多科学家认为虫洞的发现只是时间的问题而已，当然，有可能还要数千年也不一定！
13.黑洞内的温度为绝对零度吗？

不知道。我们所观察到的黑洞外表具有“霍金辐射”，虽然温度很低但并非绝对零度。至于黑洞内部，我不知道有何方法可以测量其温度，因为时空陷缩之故，没有任何热平衡状态可以持续存在到使“温度”有实质的意义。
14.用黑洞作时光旅行可能吗？

黑洞只可能用于进入未来！就目前所知，在我们的宇宙中，似乎不可能回到过去。依照爱因斯坦的广义相对论与哈佛大学物理学家Pound 及Rebka 的实验证明，在重力场中，外部的观察者会看到强重力场中的时钟走的较慢，这类似于狭义相对论中时间延迟(time dilation)的效应，而且其条件为除了重力红位移效应外，两者之间没有其他任何相对运动。也就是说，若A 为朝向黑洞之强重力场中运动的人员，并且固定每秒钟发出一个光波讯号，在远距离外的B 观察者所看到A 人员发出的光波讯号间隔时间会越来越长，从一秒钟到一分钟、一小时甚至更长。当A 越接近黑洞的事件地平面，远方观察者B 所看到的光波讯号间隔越长，也只有能量更高的光子可以脱离黑洞的重力场。当A 穿过事件地平面进入黑洞后，最后一个发出的光波讯号会以几乎无限大的红位移传送出来。如果A 的光源为一兆电子伏特能量的r-射线，当传送到观察者B 时可能已经变成只有0.00001 电子伏特的无线电波！虽然光源A 仍旧维持在每秒钟发出一个信号，但观察者B 收到信号的间隔可能随着光源越接近黑洞而越长，可能是一分钟、两分钟。换句话说，对于A 本身来说每过一秒钟，对于观察者来说却已过了数分钟之久。就本质上来看，A 的时间流动比观察者B 为慢，如果在A 进入黑洞前能够再与B 会合，将会发现A 的时钟比B 走得慢多了，这段也许只花了A 几小时的行程，在B 看来可能已过了几千个小时！质量为太阳大小的黑洞，在接近黑洞附近时其重力潮汐十分巨大，所以在A 到达事件地平面几百公里前，便已经被拉扯成面条那样细长的碎片了。但是对于超巨质量的黑洞来说，虽然其质量可能达太阳的数十亿倍，在事件地平面附近的重力潮汐力反而可能非常小，A 或许有脱逃的机会，能够穿越这个单向的屏障（也许没有）。原则上，假如A 能够在进入事件地平面前几厘米前脱逃出来的话，那么A 所进入的时间将是外界观察者B 认知中的未来世界，也许是数千年后，但是对于A 来说，只不过经历几小时而已。提醒您注意的是，上面的例子只是描述接近与逃离黑洞、并进入未来世界的过程而已，数据是为了加强描述的效果而虚设的，并非真实计算结果。详细的计算方法很难在此叙述清楚。
15.黑洞会“长大”吗？

是的，黑洞会借着吸入物质而逐渐长大。一般恒星质量的黑洞可以借着吸入其伴星的物质而使本身质量加大。超巨质量黑洞则是在数十亿年演化期间中借着吸入数百万颗恒星而形成。目前黑洞吸入物质的过程仍在研究中，但黑洞的确是宇宙中的嗜食狂，很难满足它的胃口。
16.如果黑洞进入太阳系，地球会受影响吗？

不见得会，但是真正对人类生活的影响则要视其质量的大小而定。一个木星质量的黑洞直径只有一米左右，只有借着行星轨道的扰动才会侦测、感知它的存在。被影响的行星也许会变成像彗星一样的高离心率天体。如果发生在地球上，可能导致生物的灭绝。绝大部分人类也会因低温、动植物无法生长与液态水短少而死亡。如果来袭的是一颗太阳质量的黑洞，尽管其直径只有两公里大，行星的轨道不只会受到极大的扰动，甚至可能会完全被弹射离开太阳系。
17.如果太阳突然变成黑洞，地球轨道会改变吗？

如果是“瞬间”改变，而非经过爆炸等演化过程，那么地球仍会依循现在的轨道继续运行下去而不会有任何改变，然而，距离太阳较近的水星，其轨道则会受到轻微的非球面“潮汐”力影响而稍有变化，即我们所称的“岁差”，这种力源于太阳因自转而非完美球形。与太阳质量相同的黑洞，其作用于行星等天体的重力也与太阳相同，所以不会有何明显的变化。
18.宇宙中有白洞存在吗？

目前所知没有！在技术上，要发现黑洞、甚至超巨质量黑洞，都比发现白洞要容易的多。也许每一个黑洞都有一个对应的白洞？！。但就我所知，我们并不确定是否所有的超巨质量“洞”都是“黑”洞，也不确定白洞与黑洞是否应成对出现。但就重力的观点来看，在远距离观察时两者的特性则是相同的。
19.黑洞是超新星遗留的产物吗？

我们认为如果恒星的原始质量大于太阳的十倍以上，它会变成超新星，并形成黑洞。但超新星也会发生于质量在5～10倍太阳质量间的恒星，但是它们的结局不是变成中子星，就是在形成所谓的“碳炸”(Carbon detonation) 超新星而毁灭无踪。“十倍太阳质量”这个极限值其实是很模糊的界线，因为有许多复杂的因素会影响此值，使其稍高或稍低。但质量在太阳二十倍以上的恒星应该是一定会形成黑洞的，至于是否所有十倍太阳质量的恒星都会形成黑洞则无法确定，还要视其在成为超新星前流失了多少质量而定。我们只能说，如果经过超新星爆炸后，恒星核心的质量仍大于太阳质量的1.4～2.5 倍，那么它就极有可能成为黑洞。
20.何人订出“黑洞”一词？

您相信吗？虽然Karl Schwarzschild 在1916 年就发现了广义相对论中非旋转黑洞的解，但是一直到1967 年它才由诺贝尔物理学奖得主John Wheeler 定名为“黑洞”(black hole)。在此之前，理论学家称之为“陷缩星”(collapsar) 或一些其他并不贴切的名词。
21.什么是“灰洞”？

它是爱因斯坦广义相对论中重力方程式中的一个解。在此方程式中有两种奇点的解，一种是“黑洞”，它只能进不能出；另一种为“白洞”，只能出而不能进。1975 年，物理学家史蒂芬. 霍金(Stephen Hawking) 发表了黑洞可能“蒸发”的理论，因为黑洞事件地平面附近的重力场以量子力学方式影响其周遭的真空太空。然而，假如黑洞能够辐射出粒子，那么就不算是真正黑的了，因此，所以有些人便开始以“灰洞”称之。但是现在并没有人使用这个名词，因为“黑洞”与“白洞”已经是爱因斯坦方程式基本解的专有名词，而霍金的理论只是一个微小的引申而已。
22.黑洞究竟是什么？

简单说，黑洞就是一种重力超强的星体，吸取一切的物质与能量，其重力强到连光子都无法从中逃脱。黑洞的规模从极微小到如超巨大的猛兽都有，它们潜伏在星系的核心，也许似星体也与它有关。黑洞的界限就是所谓的“事件地平面”，它是一种数学上的表面界限，在非自转的黑洞中为完美球面，若黑洞快速自转，则呈橄榄球状。而事件地平面的半径取决于黑洞物质的总质量。一颗质量与太阳相当的黑洞直径约5 公里，质量为太阳100 倍的黑洞直径也不过500 公里，若质量只有木星大小，约太阳的1/1000，则其直径仅2.5 公尺。黑洞不会放出光，所以它们真的是黑的。黑洞也不会主动地去吸取星体或物质，必须是其轨道与黑洞相交才会被吸入黑洞。所以即使太阳变成黑洞，地球与其他的行星仍会绕其公转而不会一个个被吸进去，最大的差别只是到时候看到的“黑洞”太阳只是模糊黑暗的光影，而这些光是来自飞近事件地平面的彗星、小行星等星体，在进入黑洞前从质量转换为能量时所放出的光。
以上问答信息均来自台北网络天文馆天文FAQ，由@南充天文在线 整理
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