5个关于黑洞的问题 让你重新认识下黑洞

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问题1：黑洞相撞后会融合在一起吗？撞击是否会发出X射线或者伽马射线？

答：两个黑洞撞击后毫无疑问会产生一个更大的黑洞，这一过程没有X射线放出也没有伽马射线放出，也不产生任何电磁波，不过会放射出大量的引力波信息。为了便于理解黑洞产生引力波的原理，我们可以引用爱因斯坦描述引力场的经典模型：把时空比作一片扁平的橡胶。

当我们在这片橡胶放上一个有质量的物体（比如保龄球）时，“橡胶”就会弯曲变形。在几个高质量物体在一片区域内相对运动时将会形成一些“凹槽”，这些凹槽随着物体运动变成向外扩散的一串“涟漪”，这些在时空中传播的“涟漪”就是引力波。我们可以相信在不久的将来，越来越先进的仪器设备将带我们更深入地了解引力波。

问题2：黑洞的逃逸速度大于光速，那么由于能量守恒是否可以说明物体在黑洞的加速下会超越光速？

答：这确实是一个大胆的想法，落入黑洞视界的物体看起来会被加速到超越光速。这里我们认为存在某种类似于“摩擦力”或“极端速度因素”的存在影响着物体落入黑洞时的运动状态。

和其他涉及相对论的问题一样，任何对物体速度的测量都受测量方式影响。在这个问题上我们需要先探讨我们如何进行这一测量。所以请容我举一个小例子。

你可以尝试进行一个实验，手拿一个篮球，伸出手将篮球托至与头部平齐，放手。接下来会发生什么？显然篮球会落下来，在篮球触地时得到了一定的速度。接下来站到桌子上，保持同样的姿势，从桌子上跳下的同时松手。这回你将会看到篮球与你保持了一小段时间的相对静止。当然从旁人视角看来篮球还是在运动的。

由此可见运动的测量结果会因测量方法的改变而不同，观察到的速度会因测量者的运动状态而不同。虽然这个简单的物理现象看起来与黑洞并没有什么关系，但接下来请看我们大胆的想法。我们现在把这个实验搬到黑洞的边上进行。松手，让篮球落向黑洞，如何测量它运行轨迹上任意一点的速度？此时测量者自身的运动状态就至关重要了，当测量者相对黑洞静止，篮球会以一个速度下落，如果测量者和篮球一起掉进黑洞，情况就会有所不同。

从这个角度来考虑，如果测量者与黑洞保持相对静止，篮球从远离黑洞的一个地方开始运动，当篮球从测量者身边经过时可以测得一个运动速度。当测量者的位置逐渐接近视界边缘，篮球的速度就会趋近于光速。由此外推，可以得到的结论是当我们在黑洞视界内时篮球的速度就会超越光速。

然而事情并非看上去那么简单。为了在黑洞外保持与其相对静止，观察者必须想办法对抗黑洞的引力，就像我们在地球上也需要对抗重力一样。这里我们姑且使用一种强力的绳索与钩子将观察者拴在黑洞外的某处。随着与黑洞距离拉近，来自黑洞的引力逐渐增大，而在视界边缘理论上将达到无限大。此时将没有任何一种绳索或是火箭能够将观察者拉住，他将会不可避免地落入视界半径内。

在此基础上，我们可以知道当观察者落向黑洞的过程中所测得的篮球运动速度将会小于观察者静止时测得的篮球的速度，我们认为即使在视界半径以内依旧如此。因此，能够测得的速度将会小于光速，而永远无法到达，哪怕只差一点点。不如说，这个例子实际上表达的是“没有任何方法可以测量到一个超光速运动的物体的速度”，这里只是说明了这一理论无论在黑洞外还是黑洞内都是成立的。不过我想大概没有人会想要亲自去验证这一实验的真实性。

问题3：在课堂内外的很多人都在问“宇宙的边界在哪里”，不过我不会这么问。据我所学，我们可以将宇宙的结构看作一层薄膜，在学习了黑洞的知识后我又可以将其理解为宇宙结构在此翘曲，然后“流入”黑洞里。所以我想问的是，这些“宇宙膜”从何而来，在流入黑洞之后是会从其他地方被“吐”出来，就像地球的板块构造运动一样，保证“宇宙结构”的总量恒定，还是说某一天一切都会被吸进黑洞里？又或者是说这些结构会跑到其它地方去？

答：这是个很好的问题，虽然我无法给出一个完全令人满意的回答。“时空的结构从何而来”这一问题和“创世大爆炸之前宇宙是怎样的”，还有“时空随着宇宙无限膨胀之后会发生什么”这些问题本质上十分相似，而且我们同样没有一个确切的回答。很多理论看上去都是可能的，例如，有理论认为时间始于宇宙大爆炸，随着时间进行，宇宙空间不断膨胀，构成宇宙的时空也在膨胀。即使宇宙在某种不可抗拒的因素影响下一直膨胀下去，但我认为这些宇宙的基本组分，也就是“时空结构”，也不会被耗尽。

当然，我赞同你利用构造板块理论去理解宇宙空间结构的想法，同时也不否认在将来可能会有这样的理论模型被提出来，没准你将是研究团队的一员！

问题4：在我上天文学课的时候，我突然想到这个问题，如果黑洞在不停吸入物质，包括质子，电子，光子，那么黑洞的奇点的质量是不是在不断增加着呢？

答：黑洞之所以令每一个天文学者充满探寻的欲望，就是因为在这一领域问问题的人不少，但能真正回答的人却不多。

言归正传，这个问题的答案是：没错，随着黑洞不断吸入物质，也就是我们所说的“吸积过程”，黑洞的总质量/总能量不断增加。根据爱因斯坦的著名等式E=Mc2，我们可以知道质量和能量实际上是同一种东西的两种表达形式。因此在吸积过程中捕获的物质会给黑洞带来其拥有的能量。实际情况中一些能量会以光子形式逃脱，还有一些则会产生一种“相对论射流”，第二种你将在接下来的天文学课上学到。剩下的能跨越视界半径的物质将完全转化为黑洞自身的质量/能量。由于质量和能量的等价关系，黑洞在捕获电磁辐射时也会发生相同的过程。我们通常倾向于认为物质粒子具有质量，光子具有能量，二者分别考虑，然而它们对于黑洞而言没有差别，他们都会在吸积过程中转化为黑洞质量/能量的增量，也就是奇点的质量/能量增量。

有趣的是，我们在证明这一理论的时候使用的方法意外地很直观——通过测量黑洞的有效尺寸，也就是视界半径，当一个黑洞进行吸积作用吸收物质，一般来说就意味着它的视界半径会增大，其质量也在相应增大。这里我说“一般”是因为视情况不同还应分物质沿着黑洞自旋相同和相反方向进入这两种情况，当进入方向与自旋方向相反时的情形十分复杂，在此不予讨论。

在物质吸入方向与自旋同向时，黑洞的质量确实是在不断增加的，黑洞造成的时空翘曲也会变得更强。希望我的回答对你有所帮助。

问题5：我知道拥有已知最快速度的光线不能从黑洞中逃逸，为什么引力就可以从黑洞中发射出来呢？黑洞又是怎么吸入光线的呢？光究竟是一种能量还是有质量的物质？

答：你在这个问题上踏出了正确的一步，无论是光还是其他形式的质量和能量都无法从黑洞中逃逸出来。但是现在问题就出在引力和引力波上。

首先允许我说说引力，引力是任何拥有质量的物体对其周围空间的一种作用，它可以通过引力波的形式在宇宙空间之中传播，引力以引力波形式在宇宙空间传播，并表现为有质量的物体间的相互吸引。它和电磁波，也就是光子相似，引力波自身仅有能量，没有质量。引力波能从黑洞中逃脱的原因在于，它实际是从黑洞之外产生的。打个比方，一块石头落入水中，我们可以看到水面上的涟漪，石头并不会“发射”出涟漪，涟漪的产生、传播和消失的都是在水里完成。引力波的产生也是如此，我们不能简单理解为黑洞在“发射”引力波。

既然我们已经知道引力是拥有质量物体的之间的相互吸引，那为什么同样是没有质量，仅拥有能量的电磁波，或者说是光子却会被黑洞捕获呢？从常规物理学我们可以得知，从黑洞引力逃逸需要物质拥有足够大的速度，而非足够小的质量，哪怕当一个物体质量为零。光子的速度是光速，当距离黑洞很近时，逃逸速度甚至超过了光速，这也就意味着有连光子也无法逃脱黑洞的引力场，这个光无法逃逸的极限距离就是常说的“视界半径”。

拥有质量的物体会因为相对论效应无法达到光速而更容易被黑洞捕获，质量越大，达到同样速度所需的能量就越大，所以一般认为质量小的物体会更容易逃离黑洞引力场。我们可以想像自己置身于科幻作品中，要想从黑洞引力场逃脱，就得在飞船没燃料前尽可能加速，速度越大，飞船越轻，你的生存几率就越大。

当然这只是黑洞知识的冰山一角，还有更多等你去发现！

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY: 120mm M256

审核：astron

作者: Tamara Bogdanovic

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