弦理论对黑洞奇点的解释,超弦理论的十大维度

上文我们知道了在引力的作用下，时空是如何弯曲的。今之文，我们将进入宇宙的最深处，去探究在广义相对论的框架下，黑洞是如何形成的。

在爱因斯坦的广义相对论发表后没多久，德国著名天文学家史瓦西便通过对于爱因斯坦相对论的学习，成功地用这一个理论得到有关大质量天体附近的时空是如何弯曲的精确图像。

通过数学方法的论证，史瓦西成功地计算出了了在广义相对论框架下，大质量高密度物体所产生的引力对于时间和空间的具体弯曲情况。

跟普通的简单几何描述不同，史瓦西得到的是一种精确且具体的数学结果。它甚至能够为我们描述在极小的区域范围内引力是如何作用于物体的？

通过求解方程，史瓦西还揭示了一个广义相对论所带来的必然结果。如果大量的质量聚集在一个足够小的球状区域，质量除以半径超过某个特别的临界值。那么时空将产生剧烈的卷曲，所有的物体甚至包括光都不可能逃脱他引力的范围。这个方程的解便称为史瓦西解，而具体在天文上所产生的连光都跑不出去的奇妙星体，通过著名物理学家惠勒的命名，我们便把它称为黑洞。

通过对于史瓦西解的进一步研究，我们可以发现这个奇妙的星体黑洞，具有一些很特殊的性质。他虽然拥有无穷的力量，但其作用范围却相对来说并不大，只有离他特别近的物体，才会被它拉扯进黑洞当中。

当范围离得比较远的时候，其最大的作用便是对于时空的影响。但如果是离黑洞比较近的话，其引力超过了物体所能承受的逃脱限度，那么不管这个物体如何挣扎，其最终也无法逃脱被拉向黑洞中心从而毁灭命运。

举个例子来说，由于黑洞的引力足够强，如果一个人掉进黑洞的话，可不简简单单就是古代酷刑五马分尸的结果。在引力的作用下，我们全身的所有细胞甚至原子结构，都会在黑洞的作用下全部肢解。

但如果我们十分小心，并不越过黑洞的视界，那么我们便有机会通过黑洞的时间膨胀效应去体验穿越时空的快感。此时的黑洞更仿佛一颗具有巨大质量的恒星，没什么好怕的。它虽然具有无穷的力量，但对于我们来说，更像是一种时光机器。

就目前的研究现状来说，黑洞在宇宙中广泛存在的证据已经越来越让人信服。虽然我们不可能用望远镜直接在天空上发现黑洞，但通过一些特殊天文现象，我们也可以发现黑洞存在的间接证据。例如在黑洞的作用下，在黑洞视界外的一些正常发光恒星，其外层的物质在落向黑洞的时候将加速到近乎光速。而在这样的速度下，这些物质会产生大量的能量。这些能量以热的形式辐射出去，产生一种我们人类可见的发光云团，通过一些可见光或者X射线的探测，我们便可以去了解这些物体掉落黑洞时其具体的过程。

并且，这仅仅是在黑洞边缘所产生的结果。至于说黑洞其内部中心结构的最深处究竟发生了什么，就算到了目前的21世纪，也没有人能够真正地弄清楚。有不少宇宙学家都认为黑洞的中心处存在着奇点。之所以命名为奇点，是因为在那个最中心处，所有的宇宙规律都将失效，甚至连时间都不存在。

在最近的几十年里，研究黑洞的物理学家越来越多。甚至有许多直接证据表明，我们银河系的中心便存在着一个巨大的黑洞。而在广袤的宇宙中，黑洞的存在更有可能是一种普遍现象。

并且，通过对于黑洞的研究，我们还可以对宇宙早期的性质以及其诞生的过程有所了解。近年来十分火热的宇宙大爆炸理论，便是在对黑洞的研究过程中逐渐产生并成熟的。

下一文，我们将简单地去了解一下有关宇宙诞生的过程

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我们未来再会

黑洞是怎么来的？

被选为推荐答案的人有些回答错了，比太阳质量起码大40倍，体积要大3倍以上的恒星，才可能形成黑洞。当这些恒星死亡的时候，体积会膨胀到原来的几百倍、甚至几千倍大，这时的恒星叫做超巨星。超巨星生命极其短暂，几百万年后就会因为外壳无法支撑巨大的向里拉的引力而坍塌，发生“超新星爆发”，又叫“伽马射线爆”（并非像推荐答案说的“超超行星”，恒星就是恒星，怎么会变成行星呢？），此时恒星不会再发生爆炸，而是急剧坍塌，现在有两条路可走：一条是质量不够的恒星成为白矮星，最后成为黑矮星而死亡；另一条路是成为脉冲星（也就是中子星），如果成为中子星后，恒星的引力还是太大，恒星就会进一步坍塌，成为黑洞。此时，恒星被封闭在一个不可见的区域内，叫做“史瓦西半径”，也就是“视界”，一切外部的物体能够进入视界，但无论如何也出不去了，包括光。黑洞形成了。

黑洞是怎么形成的

黑洞的形成
一个光亮的恒星为什麼会变成黑洞
答案是恒星衰老了.恒星的成份多为氢气,也就是让兴登堡号这样的飞船飘浮不坠的轻质物质.氢就是让恒星发光的燃料.每个恒星的内部都在进行核融合反应,有点像连续引爆氢弹那样,将氢气转化为能量:光与热.恒星在「燃烧」氢气时,必得面对一场拉锯战:一方面恒星内部的热压力会促使恒星扩张,就像把气球吹大那样:另一方面,恒星本身重力的拉扯力又促使恒星缩回来.因此恒星在发热时,这场拉锯战是陷於胶著状态的,恒星的大小也不会起变化.但一旦核反应停止,恒星就得对重力让步,因而整个崩溃下来,就像气球泄了气一样.
不过恒星年纪一大就开始变冷.由於没有了热能,这个老迈的庞然大物无法产生足够的内部压力以抵抗重力的收缩,因此开始崩溃并缩小.但恒星虽然在缩小,却没有损失任何物质;氢仍旧在,只是被极力压缩而已.这意味著恒星所有的质量都向中心趋进许多,也就是将重力集中於一个小地方.小型的恒星会缩小成所谓的「白矮星」,与地球大小相当,但已停止核融合的恒星.较大的恒星则在一抹耀眼的华光,所谓的「超新星」爆炸中自我毁灭殆尽,原来的质量几乎被轰得一点不剩.
但如果恒星的剩余质量够大(约达我们的太阳质量的一点四倍)那麼这些仅存的物质可能会变成黑洞.以下图为例,这个恒星被压缩到直径只有一英哩.此时表面上的重力强得连它自己的光都无法逃脱.那个天体还在原地,再也看不到它了.任何接近它的物体都会被吸进去,然后消逝在「黑洞」中.
←黑洞行成过程
黑洞和时间的关系
依照爱因斯坦的相对论,重力会使时间慢下来.因此当我们接近黑洞的时候,由於受到极强的重力效应,时间确实会缓慢下来,甚至有可能在我们接近到黑洞某个范围内,当经过一秒钟时,外界已过了100年.
若把时钟放在重力微弱的地方(例如地球)是很难(但仍可以办到)测出重力对时间的影响的.但若把时钟放在重力强大,如黑洞之处,则立刻可见到重力对时间产生的影响,至於影响之大小又依观察者位置之不同而有不同.对於掉入黑洞中的太空旅行者而言,重力增大会使他对事物的认知加快;他会觉得他被黑洞吸了进去,一下子就到了「底」.但对位於远方,不受黑洞影响的观察者而言,看到的情形与此恰好相反.在他们的眼中,那位不幸的太空人似乎动得很慢,而且好像越接近黑洞,就移动得越缓慢.原因是,根据相对论的预测,黑洞的强大重力会使时间延缓下来,所以那个太空人似乎永远都还没掉落到底.在最底下的地方
所有的质量和能量都被浓缩为极小的点
空间消失了,时间也停止了.黑洞内应用於外界的一切物理定律都宣告终止,因此我们无从得知黑洞里到底是何种光景.
有一位学家〈史瓦西〉算出一个范围,再范围之内的时间和各种物理现象都和外面不同,例如:时间较慢,重力较大.因为是史瓦西算出来的,所以称为史瓦西半径界面,又称事像地平面.
事像地平面指的是黑洞内时间与外界是完全不同的状态由於光被重力所牵引,在黑洞里的时间一分钟或许等於外界的数十年好比说你现在被吸入黑洞内,你在里面一分钟后就会被挤缩压毁可是或许在几秒后你看到了有其他人也被吸入黑洞内,但这其实是数十年后被吸入的...
黑洞的两极喷流
↑1997年6月9日美国太空总署发布新闻指出,哈柏太空望远镜红外光广角镜头摄得NGC4151星系核心附近的一颗黑洞正进行烟火般的喷流景象(左上图).其他3张照片分别是利用紫外光(左下图),可见光(右图上下)所摄得,每张图的中央处正是黑洞的所在位置,而黑洞的喷流是以对称的方式呈现.
自从1911年爱因斯坦发表弯曲时空的「广义相对论」后不久,很多天文物理学者都相信在强大重力作用下会有黑洞的存在.因为一般初步的想法是类似地心引力
(重力)的作用,若在如此强大重力作用下,会不断地吞噬附近的物质,连在真空中每秒速度高达30万公里的「光」临近黑洞时都无法幸免,无法逃脱它强大重力的吸引.况且只有物质被吸入而不会释放出来,所以它是我们无法目视得到会有任何东西呈现的黑暗「区域」,我们称为「黑洞」.
在一般人的心目中,黑洞在宇宙中就好像地球上传闻已久的神秘百慕达三角地带.从一些简短的报导里,我们知道黑洞在宇宙的时空里是一个非常小的点,但这一小小的点却有无穷的吸引力(重力),会不停吞噬它周遭的物质(如尘埃,星体),即使光波也在所难免.一般人相信黑洞可能是由巨型星球演化,经超新星爆发后,接近星体中心的物质剧烈地塌陷而成的.存在宇宙中的数目可能很多,且还有很多奇怪而未经证实的特性,足以影响人类对於整个宇宙和时空的想法.
近代天文物理学大师史蒂芬
霍金
(也就是「时间之箭」一书的作者)在1974
年提到「黑洞蒸发」的论点,他强调黑洞所吞噬物质的状态,是像量子物理所说的呈现出量子化的「激发态」(不稳定状态),这时会在南北两极的地方向外喷流出激发态的物质,这就是所谓的「黑洞蒸发」现象.
直到哈柏太空天文望远镜上了太空且发挥功能,藉著它的广角镜头红外光相机所拍摄的红外光谱图案(因为红外光可穿透各个星球外围云气的障碍)让我们可直接看到星球的原貌.终於在1997年5月12日,NASA宣布发现了距离我们5千万光年外的
M84
星系中心处,有颗约为太阳3亿倍质量的黑洞正像放烟火般地喷流出大量物质.接下来,天文学家利用哈柏太空天文望远镜和欧洲的红外光太空望远镜,也发现许多黑洞都有像烟火般的喷流景象.
↑1997年5月12日美国太空总署
(NASA)发布消息指出,利用哈柏太空望远镜上红外光相机广角镜头的光谱图影像,发现在M84星系中心处有一个约为太阳3亿倍质量的黑洞.这是人类首度发现黑洞的两极正以每秒400公里的速度向外喷流物质.左图中央处标示出位於M84星系中心发现此正在喷流的黑洞位置.右图中蓝色的部分是位於黑洞旋转盘面上正被黑洞吸进去而朝向我们而来的云气,红色的部分是旋转盘面上正远离我们而去的云气.
↑模拟黑洞两极喷流的过程:
图1.黑洞强大的重力正吞噬著邻近星球的云气
图2.黑洞所吞噬的物质形成了不稳定的状态
图3.黑洞正进行两极方向的巨观喷流
图4.经过剧烈的喷流后,黑洞又趋於稳定.黑洞持续进行吞噬邻近星球的云气,不久后将会有第二波的喷流产生.
图5.远观黑洞进行一波接著一波南北对称的喷流
四,黑洞和相对论
在这里又谈到爱因斯坦的相对论.本来黑洞并非一定得由大质量的恒星演变而成,
只是一般星体不可能一下子缩到底.所以恒星演变成黑洞只有经由大质量塌缩这一途径.此结论已由相对论导出,至於黑洞与外界断绝关系,我们可以把其形状试想成细长瓶子状.进入瓶子的一切短程线,都只能按弧线落到其底部.因此形成禁锢的空间,任何物体都无法逃出.但这个禁锢空间对外界是开放的,只是进的去出不来而已,也就是它和外界相通只有单向性.这个禁锢空间的内外分界称为「事界」,也就是史瓦西半径的界面,过了这界线,外界就无从得知了.内部的人最远只能到达史瓦西半径界面,亦即事界是他们世界的端点.而史瓦西界面是由史瓦西首先依据相对论所求出的解,后人便称之为史瓦西黑洞.然而其实事界的概念已先於爱因斯坦早存在,但他创见性的两点在於时空弯曲以及光速是一切物体运动的极限.
五,黑洞的利用
物理学家把有序的相反概念,也就是无序状态叫做熵(Entropy).
一个封闭的物质世界系统,无论甚麼物理变化,全熵量即无序的总量绝不减少,这称热力学第二定律.最后熵达到最大而成平衡状态,这就是所谓的热寂,这时到处能量分布相同,宇宙再也活不起来了.没有运动,也就是没有时间,宇宙就不存在了!
引力能的熵比核能以及热运动能的熵小得多,通常引力场绝非无序的.但黑洞把通常共存物体吞噬进去,就使黑洞失去多样性而驱於统一,於是就包含一定的熵,把黑洞引力场转为其他形式就不能百分之百有用.但黑洞有熵是肯定的.若非如此,投入极大量的无序的东西到黑洞中,岂非全体熵减小了.这就和热力学第二定律相违背了.而黑洞的引力能,可看为存於表面,恰如水滴表面张力那样的表面能.如果给水滴补充能量,它就会激烈震动而分裂.因为面积不够容纳更大的能量.同样的,如果对黑洞施以能量,类似的理由它会震动,用引力波放走能量,因为它不能分裂.它的表面积依然和初始界面表面积一样,亦即表面积不能减少,这可称为「不减能」.黑洞一形成,对应的表面积就是永远不可灭.再来谈到若黑洞自转或带电的话,其塌缩星的能量便对应增加.因为各个电场互相排斥,要合成一体必须作功.所以电荷凝缩伴随著电场能量的储存.以后吸收等量反符号电荷,变成中性,就等於把储存的能量放出.事实上,塌缩星的全部能量包含了寄存的电量.而黑洞有不可灭表面能量,自转能量,电场能量三种.自转能和电场能不是以熵的形式寄存的.旋转速度降低,电荷中性化,就可送出能量,所以只有表面能是熵性的.
但要如何获得其能量呢
在这里提供了「弹道法」.它是把物体射入能层,让它分裂为二.一个跌进了事界,一个抛了出来,而跑出的便带走了能层的能量.
六,不同形态的黑洞
在黑洞学的领域裏,科学家认为黑洞在质量的分类只有两种,一种是太阳的数百万至数十亿倍(supermassive
type)另外一种是只有太阳的数倍(stellar
type),可是现在美国太空总署及Carnegie
Mellon
大学却发现了另外一种型态的黑洞,其重量介於一百倍至一万倍之间,这种新发现的黑洞可能普遍存在於螺旋星系裏,其太小却比月亮还小,天文学家称之为中量级(middleweight)黑洞.
天文学家认为其星系中心有一个相当活跃的中量级黑洞,M82曾与M81擦身而过,造成M82内部的星球与星云扰动,这种不寻常的碰撞可能是造成M82星系中心形成中量级黑洞的原因.
新型态的黑洞是经由X-Ray射线的发现而确认,而X-Ray射线是黑洞附近的物质被吸入黑洞之前所散发出来的最后能量,经由X-Ray望远镜的侦测与光谱仪的对照,可以确定黑洞的大小及活跃程度.这种新型态的黑洞很可能是数个轻量级的黑洞联合而成,这些轻量级的黑洞在M82星系裏有数以百万计,因不明原因而合并成较大的中型黑洞.
七,双黑洞系统
当天空中某个天体正踏著醉拳般的步伐晃动时,天文学家就晓得在这醉拳
高手附近应该还有另一个天体正与之对峙.天体之间最重要的作用力
是万有引力,它会使周遭天体的运动轨迹改变.例如,以前的天文学家是先
观测到天王星(Neptune),但是却发现天王星环绕太阳运转的轨道与计算
不合,因而推断天王星之外应该还有另一颗行星,之后,观测者便在天王星轨道
之外又发现了海王星(Uranus).此外,天文学家也利用这种方式来判断
双星系统.
荷兰Leiden天文台的Nico
Roos观测天龙座(Draco)的类星体(quasar)1928+738
所发出的喷射流(jet),他发现这条喷射流也有”摇头晃脑〃的现象,可能这种
进动(precession)是由类星体1928+738核心中的双黑洞系统所造成的.
由喷射流摇头晃脑的幅度和频率,天文学家推算出这二个黑洞以周期2.9年
相互绕著运动,并且整个系统应该具有一亿个太阳质量.
以前就有人提出双黑洞系统的构想,而类星体1928+738正好是这个构想
的最好证明.Roos并提出类星体1928+738内双黑洞系统的形成原因,可能
是由二个中心都拥有黑洞的星系相互碰撞合并而成的.许多天文学家都相信
在类星体中或在活跃星系(active
galaxy)中,星系合并的情形是常常发生.
Roos相信双黑洞系统的相互快速运转,会使得二个黑洞越转越靠近,最后也会
合并成一个黑洞,因此这些双黑洞系统应该都是些短命鬼.