恒星 黑洞叫引力坍縮徹底的恒星十億光年外看地球會(huì)看到時(shí)光倒流
黑洞就是一個(gè)引力很強(qiáng)的空間區(qū)域。任何東西——甚至連光——都因?yàn)椴粔蚩欤荒軓钠鋬?nèi)部逃離。雖然這一概念最初是在理論物理學(xué)家豐富的想象中被構(gòu)思出來的，但現(xiàn)在我們已經(jīng)在宇宙中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)黑洞，并且它們以百萬計(jì)。盡管這些黑洞是不可見的，但它們以一種很容易被探測到的方式與周圍環(huán)境相互作用，并對(duì)其產(chǎn)生影響。確切地說，這種相互作用的性質(zhì)取決于相對(duì)黑洞的距離：太近的話是不能逃脫的，但更遠(yuǎn)的地方就會(huì)出現(xiàn)一些戲劇性的壯觀現(xiàn)象。
1964年，安·尤因(Ann Ewing)在一篇報(bào)道1963年于得克薩斯州舉辦的一個(gè)研討會(huì)的文章中首次提到了“黑洞”一詞，然而她從未說明是誰發(fā)明了這個(gè)詞。1967年，美國物理學(xué)家約翰·惠勒(John Wheeler)需要一個(gè)詞作為“引力坍縮徹底的恒星”的簡寫，于是開始推廣這個(gè)術(shù)語——不過坍縮的恒星這一概念早在1939年就由他的美國同事羅伯特·奧本海默(Robert Oppenheimer)和哈特蘭·斯奈德(Hartland Snyder)提出來了。事實(shí)上，關(guān)于現(xiàn)代黑洞概念的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)在1915年就已經(jīng)誕生了。德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在空間中有孤立無轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量的條件下解出了愛因斯坦的重要方程(在他的廣義相對(duì)論中被稱為場方程)。
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在此之后過了20年，印度物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)研究了恒星死亡時(shí)會(huì)發(fā)生什么。以此為基礎(chǔ)，英國的亞瑟·愛丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)解決了一些相關(guān)的數(shù)學(xué)問題——比奧本海默和斯奈德的工作稍早一點(diǎn)。愛丁頓的計(jì)算表明，當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡所有燃料時(shí)會(huì)坍縮形成黑洞，不過愛丁頓自己在1935年向皇家天文學(xué)會(huì)宣稱其物理含義是“荒謬的”。盡管這個(gè)概念看起來荒謬，但黑洞無疑是我們的銀河系乃至整個(gè)宇宙物理現(xiàn)實(shí)的重要組成部分。1958年，美國的大衛(wèi)·芬克爾斯坦(David Finkelstein)取得了更進(jìn)一步的進(jìn)展，他明確了黑洞周圍存在一個(gè)單向表面。
這個(gè)表面的存在不允許光從黑洞內(nèi)部強(qiáng)大的引力中脫離，而這也是黑洞是黑色的原因。要理解這種現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的，我們首先要理解物理世界的一個(gè)深刻的特性：任何運(yùn)動(dòng)的粒子或物體都存在一個(gè)最大速度。
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光速
叢林法則之一是：不想死得快，就得跑得快。除非你異常狡猾或者善于偽裝，否則只有足夠敏捷才能存活下來。哺乳動(dòng)物擺脫劣勢的最大速度取決于其質(zhì)量、肌肉力量和新陳代謝之間復(fù)雜的生化關(guān)系。
宇宙中運(yùn)動(dòng)最快的實(shí)體所能達(dá)到的最大速度是由完全沒有質(zhì)量的粒子所呈現(xiàn)的，例如光的粒子(被稱為光子)。這個(gè)最大速度被精確地定為每秒299 792 458米，相當(dāng)于每秒186 282英里，幾乎比空氣中的音速快100萬倍。如果能以光速旅行，我將能夠在十四分之一秒內(nèi)從我在英國的家中到達(dá)澳大利亞，就是一瞬間的事情。從離我們最近的恒星，也就是太陽出發(fā)的光只需要8分鐘就可以到達(dá)我們這里。
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而從太陽系最外層的行星海王星出發(fā)，光子到地球的行程時(shí)間也只有幾個(gè)小時(shí)。我們說太陽離地球有8光分，而海王星離我們有幾光時(shí)。這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有趣的后果，如果太陽停止發(fā)光或海王星突然變成紫色，地球上的任何人發(fā)現(xiàn)這些重要信息都分別需要花上8分鐘或幾小時(shí)。 現(xiàn)在讓我們來考慮光線從太空中更加遙遠(yuǎn)的地方傳回地球的時(shí)間有多長。我們的太陽系所在的銀河系是一個(gè)長達(dá)幾十萬光年的星系。這意味著光從銀河系的一側(cè)行進(jìn)到另一側(cè)需要幾十萬年。
離本星系群(銀河系是其中的重要成員)最近的星系團(tuán)， 也就是天爐座星系團(tuán)，離我們有幾億光年。因此， 在圍繞天爐座星系團(tuán)中的某顆恒星運(yùn)行的行星上如果有一位觀察者，手頭配備了恰當(dāng)?shù)膬x器回看地球，可能會(huì)看到恐龍?jiān)诘厍蛏吓腔病２贿^這只是由于宇宙浩瀚得令人難以置信，才使得光的運(yùn)動(dòng)看起來遲緩且費(fèi)時(shí)。但當(dāng)我們開始考慮如何將火箭發(fā)射到太空時(shí)，宇宙規(guī)定光速是上限這一點(diǎn)就會(huì)帶來一種有趣的效應(yīng)。
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