黑洞通道

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更新時間: 2013-09-04

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在愛因斯坦的廣義相對論中預言到了兩種天體,一個是人們早已熟知的黑洞,另一個則是人們比較陌生的白洞。20世紀60年代以來,由於空間探測技術在天文觀測中的廣泛應用,人們陸陸續續發現了許多黑洞性質的天體。如天鵝座X--1星和御夫座e星的伴星就是兩個典型的例子。眾所周知,黑洞是一種極為奇特的天體,它能夠把包括光線在內的一切物質都吸入自己的體內,所以黑洞在宇宙中是不會發光的,但是即使如此,天文學家們卻依靠射電紅外望遠鏡觀測到了它們,並大膽的假設黑洞是恆星衰亡后留下的殘骸。

  
黑洞通道

黑洞通道 -一、概論

引文

  是否有人想過,黑洞可以通往其他世界呢?說不定外星人就在黑洞那頭。
  也許是天方夜譚,也許這是一個奇妙的科學幻想。
  被吸進黑洞的東西都到哪去了呢?問題值得思考。
  吸入的天體或光線都在另一個地方排出,很難找,歷經千辛萬苦才能找到。
  在愛因斯坦的廣義相對論中預言到了兩種天體,一個是人們早已熟知的黑洞,另一個則是人們比較陌生的白洞。20世紀60年代以來,由於空間探測技術在天文觀測中的廣泛應用,人們陸陸續續發現了許多黑洞性質的天體。如天鵝座X--1星和御夫座e星的伴星就是兩個典型的例子。眾所周知,黑洞是一種極為奇特的天體,它能夠把包括光線在內的一切物質都吸入自己的體內,所以黑洞在宇宙中是不會發光的,但是即使如此,天文學家們卻依靠射電紅外望遠鏡觀測到了它們,並大膽的假設黑洞是恆星衰亡后留下的殘骸。
  世上的萬物都是具有雙重性的,有黑洞就有白洞。依據廣義相對論的預言,白洞的一切性質都是與黑洞相反的,黑洞是「吸」,白洞是「吐」,因此,對於觀測白洞來說比觀測黑洞要容易得多。經過白洞前的光線及一切物質都會被白洞的強大排斥力噴射出去,使其改變原有的運動方向,向著白洞的對面運行。所以我們可以認為白洞是一種發光的物體,並且是一種發光力極強的物體。我認為,現在困擾天文學家的類星體就是白洞,因為類星體是一種與其他任何天體都不相聯繫的新天體,在巳知的天體射電源中約有25%是類星體,它們有許多地方使人震驚。一般的類星體比整個星系小得多,有的甚至只有星系直徑的十萬分之-,可是又比星系亮得多。在一般類星體的周圍都會有物質噴射的現象,並且它們的射電源的一部分與一個光學噴射體相重合,而射電源的尺度比較小,能量卻極為巨大。在對類星體的光學研究之後得出了一個驚人的信息,它們的光譜有巨大的紅移,有的甚至達到了0.367之巨。鑒於以上幾點。這個在光學上像恆星,亮度驚人且變化迅速並有著巨大的紅移和發射線,但體積卻很小的類星體就成了一個謎。然而我卻認為運用白洞的知識來解釋類星體能夠更好一些。我們可以假想一幅圖畫:如果自己就站在白洞前面,根據廣義相對論的定理,你會看到一束從遠處射來的光線被白洞遠遠的噴射出去,噴射的光線多了,自然白洞也就越來越亮,在宇宙中傳播的距離也就越來越遠,因為射電也是一種物質,所以白洞也就可以像噴射光線一樣來噴射射電了。白洞的體積有大有小,但大體上與恆星相同,這是它與黑洞僅有的幾個相同點之一。如果不在特殊情況下,深處星系以及有光源的天體內部的白洞才能被很好的觀測到,這些跡象表明,白洞很可能是類星體。愛因斯坦在廣義相對論中闡明了黑洞和白洞都是能量極大的天體,這與類星體的性質也是不謀而合的。幾乎所有的類星體的光譜都有巨大的紅移,這是人們發現它的最大特點之一。
  根據哈勃定理推算,最遠的類星體達到200億光年!也就是說,如果類星體是白洞的話,很有可能白洞就處在宇宙的邊緣。
  白洞「只出不進」,那麼它的物質不會枯竭嗎?如果不枯竭,那麼這些物質從何而來呢?有人提出一種設想,白洞與黑洞是相通的,它們之間有一條通道,叫做「蛀洞」。正是這條通道,把黑洞吸積的物質,運到白洞噴發出去。美國天文學家認為,蛀洞這一通道可能使我們與其他的宇宙相連。
  白洞學說在天文學上主要用來解釋一些高能現象。白洞是否存在,尚無觀測證據。有人認為,白洞並不存在。因為,白洞外部的時空性質與黑洞一樣,白洞可以把它周圍的物質吸積到邊界上形成物質層。只要有足夠多的物質,引力坍縮就會發生,導致形成黑洞。另外,按照目前的理論,大質量恆星演化到晚期可能經坍縮而形成黑洞;但並不知道有什麼過程會導致形成白洞。如果白洞存在,則可能是宇宙大爆炸時殘留下來的。
  而且還有的科學家認為,有可能黑洞是一個通向其他宇宙的通道。其中黑洞是入口,白洞是出口。
  以現在人類的發展水平來看,我們並不能測量出宇宙到底有多大。有可能我們人類現在所處於的宇宙只不過是一個子宇宙,與我們這個宇宙並存的還有其他子宇宙和母宇宙。而我們這個子宇宙與其他宇宙的入口就有可能是黑洞。
相關新聞

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  據國外媒體報道,美國印第安納大學的物理學家提出新理論,認為黑洞吸收的物質沒有被破壞,而是被驅逐出去,形成另一世界中的星系、恆星和行星,黑洞則充當了宇宙間的通道。該理論可以很好的解釋大爆炸之謎,以及伽馬射線爆發等現代宇宙學的秘密。
  美國印第安納大學的物理學家波普瓦夫斯基(Poplawski)最近在《物理快報B輯》上發表了一篇文章,文中提出了一種新的數學模型,用來描述落入黑洞中物體的螺旋運動。根據新的數學模型,黑洞吸收的物質實際上是被驅逐出去,形成另一世界中的星系、恆星和行星,黑洞充當了宇宙間的通道。
  波普瓦夫斯基稱,黑洞是蟲洞的觀點可以解釋現代宇宙學中的某些秘密。比如,黑洞是蟲洞的觀點可以解釋大爆炸之謎。大爆炸理論認為,宇宙由一個奇點發生大爆炸產生,這個奇點質量無窮大,體積無窮小,時空都包含在裡面。但是,這一理論無法解釋奇點是如何形成的。波普瓦夫斯基稱,如果假設我們的宇宙最初是由白洞形成的,那麼就很好解釋大爆炸奇點問題。科學家們猜想:白洞也有一個與黑洞類似的封閉的邊界,但與黑洞不同的是,白洞內部的物質和各種輻射只能經邊界向邊界外部運動,而白洞外部的物質和輻射卻不能進入其內部。
  黑洞是蟲洞的觀點還可以解釋伽馬射線爆發。發生在宇宙邊緣的伽馬射線爆發,常常和遙遠星系的超新星以及恆星爆發聯繫在一起,但是它們爆發的真正原因一直是個謎。波普瓦夫斯基提出,伽馬射線爆發可能是其它宇宙中排出的物質,這些物質通過其星系中心的超大質量黑洞進入我們所在的宇宙。
  波普瓦夫斯基認為,蟲洞製造出「奇異的物質」,觸發了宇宙的膨脹效應。哈勃在1929年在論文中論證了距離我們越遠的河外星雲,沿著觀測者視線方向遠離我們而去的運動速度就越大,而且速度同距離兩者之間存在著很好的正比關係。這就是舉世聞名的「哈勃定律」。1930年,英國天文學家愛丁頓把河外星雲普遍遠離我們而去的現象解釋為宇宙的膨脹效應。
  但是,天文學家一直在努力尋找引起膨脹的原因。波普瓦夫斯基稱,宇宙的膨脹效應是由「奇異物質」觸發的。這種奇異物質和普通物質是不一樣的,因為它們在重力作用下被排斥而不會被吸引。波普瓦夫斯基認為,這些奇異物質可能是在一些超大質量恆星崩塌,並形成蟲洞時產生的。
黑洞通道 -二、拓展

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黑洞反作用

  據國外媒體報道,天文學家通過哈勃太空望遠鏡以及和超大陣列(VLA)無線電波望遠鏡,發現距離地球5千萬光年的NGC 1068星系超大質量黑洞不斷向太空噴射炙熱的氣體。科學家認為,位於星系中心的超大質量黑洞通過稱為「黑洞反作用」的機制,影響星系的演變過程。
  從上面的合成圖像中,可以看到高速運動的炙熱雲產生的明亮X射線,如同滾滾火焰。它很大程度上表明了NGC 1068星系中心黑洞不斷向太空噴射炙熱的氣體的情況。
  NGC 1068星系中心的黑洞非常龐大,是銀河系中心超大質量黑洞的2倍。NGC 1068超大質量黑洞異常活躍,可以說是我們已知的最活躍的黑洞之一。它不斷吞噬大量的NGC 1068星系質量,然後以時速100萬英里往外噴射炙熱氣體。NGC 1068星系中心龐大的黑洞是星系的破壞者,它將NGC 1068星系中心撕扯成碎片。
  科學家認為,這個龐大的黑洞通過一個稱為「黑洞反作用」的機制,影響NGC 1068星系的演變。被撕裂的星系質量中,有一部分並沒有落入黑洞的「口」中,而是在爆炸后,高速遠離黑洞。天文學家通過錢德拉和哈勃太空望遠鏡以及甚大陣列(VLA)的無線電波望遠鏡看到,大量超熱質量被棄置到距離黑洞3000光年遠的地方。這看起來就好像是一個超高速的傳輸帶,即星系質量不斷被牽引到黑洞的吸積盤,遭到撕裂破壞后,反過來向星系發射炙熱的氣體。
第一個「人造黑洞」

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  它有著「黑洞」之名,雖然尺寸「迷你」,但任何經過的電磁波或光,都不可能逃離它的引力。10月15 日,《科學》雜誌宣布,世界上第一個「人造黑洞」在中國東南大學實驗室里誕生。
  不過,這個小型「黑洞」不僅不會毀滅世界,還能幫助人們更好地吸收太陽能。
  在宇宙中,黑洞吞噬萬物,甚至包括光。人們樂意議論這種天體,因為它神秘、「性情」怪異:它身處宇宙最幽暗的地方,沒有人能直接觀測到它,而靠近它的任何物質,都會被無情地拖曳到它的深淵裡,小行星、星塵、光波、時間,無一例外。
  人們對黑洞這種天體感到好奇,但絕不會希望有任何一個黑洞接近自己,或我們的星球。然而現在卻有一些科學家在自己的實驗室里造出了「黑洞」,一個「迷你」黑洞。
  10 月15 日的《科學》雜誌在介紹這種「人造黑洞」時建議,人們可以把這種「黑洞」裝進自己的大衣口袋裡。
  製造出「人造黑洞」的是中國東南大學的一個研究組,崔鐵軍教授和程強教授是其中最主要的兩位研究者。
  「實際上,我們做的黑洞不是嚴格意義上的黑洞。」在接受《外灘畫報》採訪時,程強教授對記者說。
  實驗室里的「人工黑洞」,目的當然不是為了將一個吞噬一切的「惡魔」裝進口袋。據程強介紹,現在存在於東南大學毫米波國家實驗室的「人造黑洞」,實際上是一個模擬裝置,這種模擬裝置目前可以吸收微波頻段的電磁波,在未來,它還可以吸收光。
  但是除此之外,它並不能吸收任何實質的東西。「它只吸收電磁波,不吸收能量。」程強對記者說。崔鐵軍(左一)、程強在「人造黑洞」實驗裝置前(東南大學資料圖 叢 婕攝)
  這是一個不具有危險性的「黑洞」,不僅如此,這種裝置還能在未來用於收集太陽能。在這方面,「人造黑洞」將比世界上任何一種太陽能電池板都更高效。
  一些物理愛好者甚至為這種全新的裝置設計了一些新功能,比如將它裝置在航天器中的太陽帆上,或者用來吸收空氣中游散的電磁波——因為手機和無線網路的普及,這種看不見的電磁波據說侵害了我們的健康,成為一種新的污染。
  不過,製造「黑洞」的研究者卻從來不想那麼多,現在崔鐵軍和程強正在繼續的,是如何把實驗室里的裝置變成樣機,「實現工程化」。
  面對關於「人造黑洞」的各式各樣的議論,程強認為, 「成果公布以後,被許多國際媒體轉載和評論,確實也大大出乎我們意料。從我們個人角度而言,只覺得這是一個比較有意義的工作。
黑洞通道 -黑洞分類及特點

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按組成劃分

  按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。
  暗能量黑洞
  暗能量黑洞主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成,它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉,其內部產生巨大的負壓足以吞噬物體,從而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基礎,也是星團、星系團形成的基礎。
  物理黑洞
  物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成,具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時,我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大,可以有太陽系那般大。奇點黑洞比起暗能量黑洞來說體積非常小,它甚至可以縮小到一個奇點。
按物理性質劃分

  根據黑洞本身的物理特性質量,角動量,電荷劃分,可以將黑洞分為四類。
  不旋轉不帶電荷的黑洞
  它的時空結構於1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。
  不旋轉帶電黑洞
  稱R-N黑洞。時空結構於1916至1918年由賴斯納(Reissner)和納自敦(Nordstrom)求出。
  旋轉不帶電黑洞
  稱克爾黑洞。時空結構由克爾於1963年求出。
  一般黑洞
  稱克爾-紐曼黑洞。時空結構於1965年由紐曼求出。
  雙星黑洞
  與其他恆星一塊形成雙星的黑洞。
克爾-紐曼黑洞的特點

  轉動且帶電荷的黑洞,叫做克爾--紐曼黑洞。這種結構的黑洞視界和無限紅移面會分開,而且視界會分為兩個(外視界r+和內視界r-),無限紅移面也會分裂為兩個(rs+和rs-) 。外視界和無限紅移面之間的區域叫做能層,有能量儲存在那裡。越過外無限紅移面的物體仍有可能逃離黑洞,這是因為能層還不是單向膜區。
  r±=M±√(M^2-a^2-Q^2)
  rs±=M±√(M^2-a^2cos^2·θ-Q^2)
  r±=GM/c^2±√[(GM/c^2)^2-(J/Mc)^2-GQ^2/c^4]
  (其中,M、J、Q分別代表黑洞的總質量、總角動量和總電荷。a=J/Mc為單位質量角動量)
  單向膜區內,r為時間,t是空間。穿過外視界進入單向膜區得物體,將只能向前,穿過內視界進入黑洞內部。內視界以里的區域不是單向膜區,那裡有一個「奇環」,也就是時間終止的地方。物體可以在內視界內自由運動,由於奇環產生斥力,物體不會撞上奇環,不過,奇環附近有一個極為有趣的時空區,在那裡存在「閉合類時線」,沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地回到自己的過去。

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