隐形人读书会164期—— 《黑洞》总结

本期读书会内容主要基于这两个关于黑洞的纪录片:

探索频道——宇宙有道理:黑洞

BBC-视野系列之超大质量黑洞

1、星空璀璨,自古以来引无数诗人学者赞叹不已,今日物理学要把星空拉回人间,甚至要深入星空之外那看不见的深渊中去。如此并没有破坏宇宙之美,反而揭示出宇宙更雄浑精巧的创造。自二十世纪相对论和量子力学的创立以来,物理学发生了翻天覆地的变化。特别是在宇宙学领域二者的结合取得了丰硕的成果,关于宇宙创生和演化的“宇宙大爆炸”理论已成为我们理解宇宙的标准模型。而“黑洞”是现代宇宙学预言的最怪异的创造之一。它有巨大的引力,光线都不能逃脱,因此是“黑”的,但黑洞也会“蒸发”。它是巨大恒星生命终结后的产物,也许也是孕育新星系的种子。黑洞是隐形的,但它在宇宙中普遍存在,甚至就在我们的银河系中。黑洞吞噬一切,白洞吐出一切,或许还有虫洞将二者相连。黑洞是理解我们生存其中的宇宙的关键之一,它本身就是宇宙的一个缩影。霍金、彭罗斯等物理学家在《时间简史》《宇宙的最初三分钟》《时空本性》等一系列半科普类著作中给我们展示了神秘而奇妙的宇宙,包括黑洞,各种媒体上也有《宇宙大爆炸》《宇宙有道理》等面向大众的介绍。本期读书会试图更简化的为大家介绍黑洞怪异性质背后的原理,而不用到让人望而却步的数学。

2、如何理解黑洞是个什么东西,能否从常识角度来理解?我们知道,往天上扔个苹果,苹果会掉下来,砸到牛顿,从而发现万有引力。但是如果扔的太猛,苹果就能像月亮或者人造卫星一样,绕着地球飞,要达到这个目的,苹果扔出去时所需要的速度称为第一宇宙速度。如果扔得再快些,苹果甚至能够脱离地球的控制,这时的速度成为第二宇宙速度。以此类推,要跑出太阳系需要达到第三宇宙速度。以上可以看出,质量越大的天体,对周围的物体引力越大,物体逃离需要的速度越大。假如有一个天体,其引力使得物体需要光速才能逃离,由于光速是宇宙的极限速度,所以可以说没有任何物体能够从该天体周围逃离,这样的天体就称为黑洞。

3、从牛顿的经典物理学角度可以形象理解黑洞,但这样只能解释有质量的物体会掉进黑洞,而光是没有质量的,也会被黑洞吞掉,这就需要祭出爱因斯坦的看家本领相对论了。广义相对论认为,有质量的物体会使周围的时空扭曲,这种扭曲的表现形式就是引力。就像在一张软垫子上放个铅球,垫子会被压得陷下去一点,铅球就是天体,垫子就是时空。光线在时空中传播的时候,总是走直线,但是时空本身是弯曲的,所以看起来光线被弯曲了。原则上一切物体,太阳地球,包括我们自己,都会使周围的时空扭曲,但一般情况下,这种扭曲量太小,所以我们不能借此证明第六感。但是黑洞使其周围时空弯曲得如此厉害,以至于形成一个闭合的圈,光沿着这个圈走,认为自己在走直线,实际上是在环绕黑洞。就像在地球上一直向东最后会环绕地球一圈回到原点一样。

4、在《时间简史》中,身残志坚的物理学家霍金用“光锥”来描述时空扭曲现象。任何事件——比如太阳爆炸——都可看作四维时空中的一个点,即表示某时某地发生某事。以时间为纵轴,空间为横轴,则事件与时空中其它可能发生联系的时空可用四维的“过去光锥”和“未来光锥”来表示。整个光锥形似沙漏,过去光锥表示可以影响到太阳爆炸的时空范围,而未来光锥表示太阳爆炸可能影响到的时空范围,光锥之外的时空与太阳爆炸没有任何联

系。光锥的边缘,由极限速度光速来区分。比如,太阳爆炸一瞬间,地球处于与太阳同时但不同空间位置,所以处于光锥之外,所以不能得知太阳爆炸的消息,光需要8分钟才能传到地球,所以8分钟后地球才进入太阳的未来光锥中,看到太阳爆炸所发出的光。对正常的时空结构来说,光锥就是标准的锥形,但黑洞可以使时空扭曲,使光锥变成一个圆筒。边界以外光线可脱离,其边界上,光线即不能远离也不会靠近,只能绕着黑洞跑,其内部的物体则不能脱离。

5、解释了黑洞是什么,接下来的问题是黑洞是如何形成的?近代物理的发展发现,宇宙中所有的力其实只有四种:引力、电磁力、强力、弱力。其中引力和电磁力在日常生活中都很常见,后两种主要在原子核内起作用,强力是原子核内把质子和中子们粘在一起的力,弱力是原子核衰变时起作用的一种力(日本福岛核电站的辐射就是弱力在搞鬼)。这四种力中,引力最弱,在微观世界里引力几乎可以忽略不计。但是引力会随着质量的增大而增大,而宏观物体大部分都不带电,电磁力往往相互抵消,强力弱力在宏观世界也不起作用,所以引力反而成了主宰星体运行的关键因素。经过计算,如果地球被压缩到只有一个高尔夫球大小,质量不变的话,就会形成一个黑洞。为什么地球不变成黑洞?因为地球的引力还不够强大,有原子与原子间的电磁力在抵抗,两边平衡,所以地球还是半径6000公里的大球。

6、黑洞的形成依赖那些比地球大得多的天体——恒星。恒星主要由氢和氦构成,简单来说就是个大气球。恒星内部由于引力的强大挤压,产生高温高压,使氢发生核聚变反应变成氦,所以太阳又是颗大氢弹。热核反应产生向外膨胀的压力抵抗引力,所以恒星能维持很大的体积。热核反应还不断锻造出越来越重的元素,最终会炼出铁元素,所以恒星又是个炼钢炉。但是燃料总有烧完的一天,当恒星生命终结之时多半会在一次爆炸中结束生命。喷出的炉渣在万有引力作用下又聚集起来,就形成了像地球这样的恒星,所以我们每个人都曾经属于某颗恒星的一部分,想想都很奇妙呢。根据恒星质量的不同,恒星死亡后有三种结局:白矮星、中子星和黑洞。我们的太阳质量是地球的30万倍,但在恒星界里还算小个子的,50亿年后,太阳耗尽燃料,先膨胀成红巨星,再喷出外层,核心收缩成一个地球大小的高密度球。开始时发出白光,后来慢慢黯淡,最后变成黑矮星——一个脏乎乎的大煤球,据猜测,在脏乎乎的外表下,有一颗地球那么大的钻石。

7、比太阳大几倍的恒星之死会壮烈得多,它们会在一次剧烈的爆炸中结束生命,爆炸时产生的能量使其光芒超过一整个星系,称为超新星。中国史书上称为“客星”,就是突然出现的星星。现在用哈勃太空望远镜,观察到的蟹状星云,就是1064年宋朝时看到的超新星遗骸。超新星爆发后的核心,有些变成了中子星,一种个头很小,质量很大的天体,有些中子星因为有磁场和自传会规律性的发射电磁脉冲,地球上接受到这些脉冲时曾一度以为是外星人的信号。那些最剧烈的超新星爆发是黑洞诞生的标志。在燃料烧完的一瞬间,恒星的核心在无法抵抗的万有引力作用下坍缩成一个小黑洞,然后黑洞就开始大口大口吞噬恒星的剩余部分。恒星外层在被飞速吸进黑洞时相互摩擦产生几百万度的高温,在超新星两极形成两道强力电磁辐射,称为“伽玛射线爆”,其能量如此之大,可以将地球直接蒸发,幸好大部分超新星爆发都发生在银河系之外。伽玛射线爆之后,恒星外层爆炸开,留下中心的看不见的黑洞。正是通过观测伽玛射线爆,可以了解宇宙中黑洞的数量,目前看来,黑洞在宇宙中到处都是,至少有几十亿颗这样的怪物在宇宙中流窜,吞噬途经的一切。

8、黑洞如此之多,看来地球要小心了,有必要多了解一些黑洞的性质。那么除了胃口大之外,黑洞还有什么特性呢?按照数学家兼物理学家彭罗斯的计算,黑洞中心是个奇点,那里

引力密度都无限大,所有已知的物理定律都失效。其实由于黑洞是黑的,我们无法看见黑洞内部 到底发生了什么,只能看到黑洞边缘光线逃逸的边界——视界。但确实有一些间接的办法来“看见”黑洞。假如一颗恒星在黑洞周围,我们就能看到恒星的气体被螺旋着扯向一个区域,区域的两极会有能量喷射,时间足够长的话,恒星会被黑洞完全吃掉。在黑洞视界外,时空扭曲没那么厉害,但光线仍被弯曲,这时就像大质量星系一样,黑洞成为一个“引力透镜”,使遥远的星光弯曲,重新聚焦,出现多个像。除了空间扭曲效应,黑洞还可扭曲时间,在黑洞附近时间流逝缓慢,黑洞内部时间静止。假设一个勇敢的宇航员决定前往黑洞,他在掉进黑洞之前,头部和脚部受到的引力之差就会把他拉成一根长长的意大利面条,然后迅速被吞没。但在地球上的观察者看来,宇航员朝黑洞下落的速度越来越慢,最后干脆停了下来,即使等上一辈子也看不到宇航员掉进黑洞的景象。

9、黑洞无毛。黑洞吞噬一切,从外部观察,黑洞只有质量、角动量,以及电荷三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他的信息如同毛发一样都消失了,这一性质被霍金形象的称为“黑洞无毛”定律。但这一性质似乎与热力学第二定律相矛盾,后者说任何孤立系统的熵总是趋向增加,其中熵是系统混乱程度的度量。从某种意义上讲,热力学第二定律规定了物理过程进行的方向,即时间的方向。尽管物理公式都像化学中的可逆反应一样可以双向进行,但实际的物理过程总是单向的。比如将一杯冷水和一杯热水放在一起,最后二者温度会相同,而不会出现两杯温度相同的水放在一起,变得一冷一热的情况。墨汁滴在水里总是扩散开来,而不会出现墨汁自动聚拢的现象。有关热力学第二定律的进一步讨论可参考《时间之箭》。熵有很多种表现形式,从信息量上衡量,孤立系统的信息量应该增加。但黑洞吞噬物体的同时把信息也给吞掉了,肯定有什么地方不对劲。

10、黑洞不黑。后来进一步的研究表明,为了满足热力学第二定律,黑洞必须不那么黑,它必须向外辐射,以维持信息量的平衡,称为“黑洞蒸发”。也就是说黑洞不仅仅只是吃东西,有时也会外吐,但是连光都逃不出黑洞,黑洞怎么能够吐东西出来呢?解决的方式很巧妙,确实没有任何东西能从黑洞内部——视界之内逃出,但在视界之外靠近黑洞的地方,物质和辐射还是有可能跑掉的。由于量子力学预言的真空涨落,从真空中会随机的产生成对的一些粒子,比如说正电子和负电子,其中具有负能量的一半被黑洞吸入,正能量的一半逃离黑洞,这样从总的效果来看,黑洞能量减小,并且往外辐射。更详细的解释需要量子力学基础,呵呵。总而言之,如果没有东西喂给黑洞吃的话,随着黑洞的蒸发,其质量会减小,最后也许会在一场爆炸中消失。

11、太初黑洞。黑洞蒸发的速度取决于黑洞的温度,个头越小温度越高,蒸发得越快,而大个的黑洞其温度甚至比周围的环境温度——宇宙微波背景辐射都要低,所以蒸发小于吸收,只有等宇宙继续膨胀,背景温度继续降低后才会损失质量。在宇宙诞生之初,温度和密度都非常的高,那时可能较容易产生黑洞,称为“太初黑洞”,其中较小的太初黑洞早已蒸发完毕,但那些质量非常大的也许还没有被蒸发,如果找到这样的太初黑洞,就可帮助我们研究宇宙早期的演化过程。

12、超大质量黑洞。科学家可能已经找到了太初黑洞的候选者——超大质量黑洞。目前主流的宇宙演化理论即大爆炸理论主要由两部分构成,其一为宇宙诞生之初的理论,其二为恒星的演化理论。但中间缺了一个部分,即星系的形成。大部分星系包括我们的银河系都呈扁平状结构,大小各有不同,中心有个恒星密集的核,为什么会是这样?星系到底是怎么形成的?哈勃太空望远镜望向目前人类所能及的宇宙最深处,看到了宇宙早期正在形成的星系——恒

星的摇篮——类星体。在浓密的尘埃中有星光闪现,恒星就在那里产生。在宇宙早期,温度和物质密度都非常高,恒星质量也非常巨大,由于质量越大燃烧越快,这些恒星都迅速变成黑洞,许多个小黑洞不断合并变成大黑洞,最终形成超大质量黑洞,其质量至少超过太阳质量100万倍,甚至还观察到200亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这种巨型黑洞不断将越来越多的气体吸入,气体在被黑洞吸入过程中相互摩擦产生数百万度的高温,使整个类星体发出夺目的光芒,高温涡旋气体还在类星体两极产生强烈的喷射,所以尽管距离遥远,望远镜还是能看到它们。气体在非常高温情况下膨胀,会将外围的气体吹走,类星体中心的超大质量黑洞没有更多气体吞噬,就逐渐安静下来,一个稳定的星系就形成了。超大质量黑洞促进星系的形成,并决定了星系的大小和扁平结构,可以说是星系之父。这个研究发现也意味着,每个星系中心,包括我们的银河系中心,都有一颗超大质量黑洞。在如此近的距离上,应该有可能直接看到这个银河黑洞的轮廓,但黑洞体积太小,而且被密集的恒星群包围,观察上有一定难度,目前科学家正在努力。

13、进一步猜想。时空旅行往往是科幻小说的题材,其中回到过去时间倒流的设想在因果关系上会遇到解释上困难,但利用黑洞倒可以实现另一种时空旅行——回到未来。由于黑洞附近引力很大,时间变慢的效应比较明显,如果乘坐宇宙飞船从地球到黑洞,非常小心的在黑洞视界周围绕黑洞飞行,过一段时间后再回到地球,理论上就可以到达未来的地球。但是以目前人类的科技,到达我们小小的太阳边缘就需要约20xx年,更别谈到达银河系中央了。但黑洞奇异的性质又给我们一点希望,如果黑洞使时空扭曲得如此厉害,直接穿透了,则有可能通过称为“虫洞”的地铁系统,实现快捷的时空旅行。更有一种设想认为,黑洞与宇宙的演化非常类似,每个黑洞也许就是通向一个宇宙的通道,我们的宇宙也许只是诸多宇宙中的一个。关于黑洞,还有无数的迷等待人类去探索。

 

第二篇:第二期读书会总结

学生邓研会外国语分会第二期读书会总结

20xx年五月九号下午四点半,在外国语学院三楼4323党员活动室举办了一次非常有意义的活动——邓研读书会之两会走进生活,出 席的主要是团支部成员及邓研理事。活动开始了,首先由主讲人发言,引出命题,然后由大家自由发言,命题主要针对近来开展的两会展开,分别涉及了就业问题,食品安全与监督问题,日本地震,利比亚事件,抢盐风波等。

第二期读书会总结

积极的讨论中

第二期读书会总结

认真听讲的学员们

各个党员积极发言,看得出,都是经过充分准备而来的,每个人对每个问题的分析见解都独辟蹊径,各有各的看法和理由,都有一定的广度和深度,让人不得不佩服,也让我学到了很多,懂得了很多。 时间过得很快,转眼活动即将结束,通过此次活动,我学到很多,也明白了我们作为新青年一代,应该家事国事天下事,事事关心,而不能总局限在自己的范围内,坐进底之蛙,观望天的一角,我们,作为大学生,应该多关注时事,多注意身边发生的新闻,开阔眼界,时时听,时时看,时时想,只有这样,我们才能不断地成熟,成长,只有这样,我们才能成为一个合格的大学生,感谢祖国对我们的教育,培养。

第二期读书会总结

很多东西都很有用,赶紧记下来

虽然作为一名普通的大学生,我们能做的事情并不多,我们可以做的事情也不多,但是,我们可以尽自己的一份力去关注事态的发展,去关心国家发生的大事,去思考国家未来的发展,对祖国充满信心,对祖国报以期待。

此次读书会举办的非常成功,也具有十分重要的意义,大家聚在一起,讨论国家近来发生的事情,发表自己的看法和见解,并联系自身谈了看法及目标,这是多么的难能可贵,相信读书会会办的越来越好,越来越成功的。

学生邓研会外国语分会

20xx年5月9日

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