黑洞的形成

当一颗质量相当大的星体的核能耗尽後（巨大的恒星：质量是太阳质量的八倍以上）死亡时，恒星的残骸可能会形成黑洞。而黑洞的形成是因为大质量的恒星在演化的未期都会发生超新星爆炸，没有辐射压力去抵抗重力，平衡态不再存在，这星体将全面塌缩，成为中子星。若其中子星的总质量大於三倍太阳的质量，那麼连中子简并气体压力也不能平衡重力，星体将塌缩至它的重力半径范围之内。这时，引力之大足以使一切粒子，都被引回星体本身，不能逃脱。

黑洞的界限

当一个黑洞形成後，塌缩还会进行下去，所有物质会无可避免，所有质量将集中在一个非常细小的质点，称为奇点。黑洞的表面层称为事件穹界。而这表面层和中心奇点的距离就是史瓦半径。任何物质要从黑洞的史瓦半径跑到外面去，它的逃离速度便要大於光速。但根据狭义相对论，光速是速度的极限。重力庞大得连光线也逃不出去，这个连光线也逃不出去的面，称为事相面。光线和任何物质都只能从事相面外部进入其内部，而无法从里边逸出。这个事相面的里边就是黑洞。

探索的黑洞

黑洞不发光，所以是不可能用天文望远镜规测得到的。但根据理论，当周围的物质被吸引时，就会透露出黑洞的存在。如果一对双星中的伴星是黑洞，那麼主星的物质被吸引向黑洞而形成一个吸积环。当吸积环的物质被吸入黑洞时，因摩擦而引起高温，而放出Ｘ光线。於是我们就能将重点放於Ｘ射线密近双星上。

黑洞的起源：

「黑洞」的观念并不特别新奇，早在1798年，有名的数学家拉步拉斯已察觉出因为无法射出光线於宇宙而被看成「黑洞」的星球之可能性。该想法在牛顿的重力理论的范围内，极为简单。此及纵然某种物体由行星、恒星、月球等弹出或射出。已知除非该物体具有比「逃离速度」更快的速度，它就不可能摆脱重力的引力脱离到宇宙空间。假如物体的速度比逃离速度慢，它不是掉回原位，就是像人造卫星那样维系其轨道运动。但拉步拉斯的构想被埋没许久，因为一般认为不可能存在与太阳同一密度、半径与地球的轨道半径相同的星球，就算有也会因黑洞效果而不能观测。可是到了1917年，黑洞终於以异於前述的方式被再提出讨论。那是因为爱因斯坦的一般相对论出现而划时代地改变重力的概念，使人们欲研究由此理论可预料的现象趋势成熟。另外一提，关於“黑洞”这个名称的由来，虽然天文学家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正式定名为“黑洞”(black hole)。

什麼是黑洞：

什麼是黑洞呢？简单的说，黑洞就是一个其逃离速度超过光速的空间区域。大家知道，由於地球的引力，任何从地面发射的火箭如果没有足够的速度，就无法挣脱地球引力，最终会返回地面。换言之，如果火箭因运动而具有的动能小於它在引立场中所具有的位能的话，它就不能逃离。这些逃离速度我们都可以用牛顿力学公式求出。值的注意的是，不管脱离地球、脱离太阳或者脱离任何一个星体所需的逃离速度，不仅与该天体的质量有关，还与它的半径（或密度）有关。这是因为引力不仅与质量有关还与距离有关，密度越大就越密集，天体表面也就越靠近它的中心，表面及其附近的引力就越强，因此，质量与太阳相近而半径与地球差不多的白矮星，其逃离速度为6450公里每秒；质量与太阳相近，半径只有10公里左右的中子星，其逃离速度竟达16万公里每秒之巨。由此推论，随著天体质量和密度的增加，逃离速度也不断增加，终於会达到需要具有光的速度才能从相应的引力场中逃逸出去。但是，被越来越多的实验证实的爱因斯坦相对论指出，没有任何一种东西的运动速度能超过光速。因此，逃离速度为光速的天体，就是使任何东西（包括光）都不能从其中逃逸的天体，这就是黑洞。黑洞是一个几乎与世隔绝的独立宇宙，任何东西都不能从中逸出，但是外部的东西却可以不断进入，正像一个深不见底的漆黑洞穴，黑洞的名称正是由此得来的。所以亦有人形容黑洞是只「吃」不「吐」的漆黑无底洞。

黑洞内部的温度及状况：

此情况天文学家还没有完全的定义。如果我们进入黑洞之中，首先会先通过事件地平面，进入一个完全是空的时空系统，只有恒星陷缩的奇异点（singular point）。虽然是空的时空系统，但其中可能存在著重力辐射，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後发现，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後即形成，那麼其内部除了奇异点外一定空无所有，但是如果黑洞是由後来的超新星爆炸过程所产生的，那麼在我们在进入事件地平面後所看到的黑洞内部会稍有不同，因为时间尺度在我们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，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，直到最後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，如果我们在火箭中冲向黑洞，我们会发现整个星球的表面完全在事件地平面之内，被奇异点吞没。

黑洞内部能量：

由於黑洞的特性就是吞噬了一切东西（包括光），因此，黑洞里面可能蕴藏著大量能量，甚至人们也感兴趣，有没有从黑洞中提取能量的可能方式呢？为此，必须进一步对自转黑洞进行分析，且讨论一项黑洞的基本物理性质——角动量。我们都知道，各种天体都在旋转，黑洞应该也不例外，旋转会使天体有角动量。由於封闭系统的总角动量守恒，当恒星塌缩时，自转应加遽，一颗新的中子星每秒可旋转一千多次，进一步塌缩成黑洞，旋转速度应更快，这是不可避免的，因此，在讨论黑洞时应考虑到它的自转与角动量。自转黑洞仍然存在著逃离速度为光速的「史瓦西半径」，但它外面一定范围的空间也将随著黑洞一起像刚体那样旋转，这个与黑洞一起旋转的空间称为黑洞的「工作层」，工作层热外边缘称为「静止极限」。进入工作层的物体，将随黑洞一起高速旋转，获得很大的能量和角动量，但由於还在史瓦西半径之外，所以只是黑洞的半捕获物，既有可能进一步进入史瓦西半径内被捕获，也有可能在特殊的条件下越出工作层，先进入然後又越出工作层的物体，由於进入後随黑洞一起转动附加了能量，因而越出时将带走附加的能量。换言之，黑洞的一部份能量和角动量转移到了物体上，并被它带走，这就是从黑洞提起能量的一种可能方式。当然，从自转黑洞提取能量的过程并不是无限制的，就像宏关过程都要遵循热力学中的熵增加原理一样，从自转黑洞提取能量必须保持黑洞的表面积不变而减少其质量。理论计算表明，我们可以把一个自转黑洞总能量的百分之30挤出来，办法是小心地把物体送入工作层，带它们越出後再收集起来，如果能实现的话，黑洞就会失去它的自转能量只剩下质量，从而静止极限与史瓦西半径重合，这时黑洞就「死」了，再也不能直接产生能量了。有趣的是，经过计算，从一个质量为108M⊙的黑洞中可以提取的最大能量为6*1055焦耳，这似乎正是活跃星系或似星所需要的能量。另外一方面也重要的，一般认为黑洞就是吞噬，不可能发出任何东西。但是1974年霍金（Hawking）的最新研究报告，情况可能不完全如此。霍金指出，物质—反物质对（意即正、反粒子对）经过黑洞附近时，可能一个掉入黑洞，而同时将另一个排出黑洞，这意味著黑洞能够产生和发射一些粒子，以微观的奇特方式稳定地往外“蒸发”粒子，有了这种“蒸发”，黑洞就不再绝对是“黑”的了，黑洞也将会在长时间内逐渐被蒸发掉。霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，黑洞越大，温度越低，蒸发也越微弱，黑洞越小；温度越高，蒸发越强烈。小黑洞由於蒸发，质量就会迅速减小；质量小了，温度就变得更高；温度高了，蒸发又进一步更快........这样下去，黑洞的蒸发就变得越来越激烈，最後终於以猛烈的爆发而告终，这就是不断向外喷射物质的白洞了。不过这种说法，有没有白洞？目前还是持保留态度，必须寻找更多天文观测证据才能确定。

如何观察、寻找黑洞：

黑洞的存在有多大的可靠性？我们已知目前在银河系中或为新星的物质大约10%，将成为拥有太阳的10倍以上的质量的星球。由此可以推测在我们的银河系中有9、10个左右由质量大的星球所造成的黑洞。一部份天文学家更主张在银河系年轻时应有更多质量大的星球，所以应该会形成更多的黑洞。天文学家最初的寻找方法，是假设如果有一个发光天体位於黑洞後方并被黑洞遮挡吸收掉一部份光，根据这种「掩蚀」的现象或许可以判断是否存在黑洞，但是考虑到黑洞太小，这种方法难以奏效。黑洞的特点既然在於它的巨大引力，那麼可以设想的寻找方法应该藉助於黑洞巨大引力所导致的各种效应。假设太阳仍在原来位置上，但变成了半径三公里的一个小黑洞，显然，太阳系将漆黑一团，除闪闪星光之外别无其他亮光，但是，由於太阳的质量、引力依旧不变，地球及其他行星应该照样沿著现在的轨道运行，因此虽然变成黑洞的太阳无法直接观测，但从地球和其他行星的运行可以推断它的存在。由此推广，如果能找到一对双星，一亮一暗，根据亮星的运行推断出确有暗伴星存在，并且如果暗伴星的质量大於某一界限（超过塌缩成白矮星或中子星的质量上限），那麼，这个不能直接观测的双星系统中的暗伴星很可能就是一个黑洞。但是，单纯从双星系统的暗伴星中寻找黑洞，由於存在各种难以鉴别的可能性，因此用这种方法寻找黑洞也失败了。然而仅仅过了两年，又出现了颇为不同且在之後得到进一步确认的观测方法，1964年初，几个理论家预言：双星系统中的黑洞，由於它的强大引力，可以掳获从亮伴星中流出来的气体，在气体被吸引冲向黑洞的途中被加热到很高的温度，并将发出很强的X射线，因此，如果能找到一个暗伴星，它能发出X射线，且质量足够大，那麼它就很可能是一个黑洞。按照这种理论，从观测上寻找黑洞的方法应该是：寻找X射线源，找到它的光学对应体（亮伴星），发现系统的双星性质，估计暗伴星的质量。目前此种方法已得到确认，开始了更大规模的搜寻黑洞的计划。

利用黑洞做时光旅行：

黑洞只可能用於进入未来！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，这类似於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後，最後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著光源越接近黑洞而越长，可能是一分钟、两分钟。换句话说，对於 A 本身来说每过一秒钟，对於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。但是对於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釐米前脱逃出来的话，那麼 A 所进入的时间将是外界观察者 B 认知中的未来世界，也许是数千年後，但是对於 A 来说，只不过经历几小时而已。该注意的是，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。

关於黑洞的其他问题：
黑洞会“长大”吗？
是的，黑洞会藉著吸入物质而逐渐长大。一般恒星质量的黑洞可以藉著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藉著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。 

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3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。由於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於其总质量的减少。在几分钟内，两个黑洞的事件地平面开始互相穿透，如果我们能目睹这整个过程，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。 

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，只有藉著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。

不错

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关於黑洞的其他问题： 
黑洞会“长大”吗？ 
是的，黑洞会藉著吸入物质而逐渐长大。一般恒星质量的黑洞可以藉著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藉著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。  
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3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。由於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於其总质量的减少。在几分钟内，两个黑洞的事件地平面开始互相穿透，如果我们能目睹这整个过程，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。  
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，只有藉著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

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