作业帮黑洞之旅
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/05/15 07:32:27 小学作文
篇一：2012年暑假高中科技文阅读素材之探索宇宙：“人”落入黑洞将会怎样？
“人”落入黑洞将会怎样？
宇宙黑洞
科学家模拟人体落入黑洞后看到的景象
落入黑洞可能会对人类健康不好，但至少如果真的落入黑洞人们却能看到一些精美壮观的景象。目前，科学家的一项最新模拟实验显示人落入黑洞后将看到的奇异景象，这项研究有助于物理学家更好地理解物质或能量进入黑洞后出现的反常状态。
美国科罗拉多州大学安德鲁·汉密尔顿和加文·波尔希默斯基于爱因斯坦的广义相对论建立了一个计算机模拟系统，描述了重力如何扭曲空间和时间。他们虚构了一个人类观测者从太空轨道中落入一个太阳500万倍质量的巨大黑洞，这个黑洞的大小相当于银河系的中心。
当人体逐渐接近黑洞时，将会看到黑洞中包含着一些黑暗环状结构，标志出“事件穹界”(指黑洞的边界)——没有任何物体能够逃离事件穹界的束缚。从黑洞后面的恒星释放的光线将直接被事件穹界所吞噬，来自其他恒星的光线则仅仅被黑洞重力作用所弯曲，形成围绕黑洞周围的扭曲变形图像。
事件穹界的史瓦西半径有1500公里，当人体进入黑洞穿越这一范围时，你会感觉到永远无法接近它，因此事件穹界会一直吞并你前方的光线，从你的视觉来看，你是永远无法抵达事件穹界。
在计算机模拟程序中，汉密尔顿和波尔希默斯在事件穹界上标注红色格子，
这样有助于更加形象化人体进入黑洞时的过程。当人体穿过史瓦西半径，另一种视觉现象浮现出来——一些白色格子围绕着你所在位置，如果还有其他人一同穿过事件穹界，你将看到他们会跟随着你一起坠入黑洞深渊。这一奇特的景象意味着你到生命的最后一刻，此时你已非常接近黑洞中心，你将感觉到强大的潮汐作用力。如果你是脚向下落入黑洞深渊，重力在你头部的作用力将比足部的作用力弱一些，以一位观测者的角度看，在头部之上的光线被拉伸，逐渐过渡至红色光谱范围，最终红移(光谱线移向红的一端)进入空白状态，人的整个视野将被压缩进入一个“水平环”。
这项研究可能将揭晓黑洞的谜团，量计算将显示出黑洞的复杂性，
在早期的研究工作中，研究人员曾估算模拟实验中在黑洞里可能会形成更多的混乱信息，其数量远超出观测者所观测到的信息。汉密尔顿说：“这项可视化黑洞之旅对于我们帮助很大，该模拟实验让我们与黑洞的奇特视觉现象有了近距离接触，整
个三维宇宙被压缩成二维表面。”
篇二：想象作文600字-黑洞之旅
想象作文600字-黑洞之旅
杰克是一名冒险家，他天上、地下、海底都走遍了，只剩下遥远的外太空没有去过了。于是他找到了航天局局长李先生：“李先生我想去外太空冒险，不知您是否愿意赞助我一艘宇宙飞船。”“杰克先生，我是您的忠实崇拜者，我当然愿意赞助您，请问您要去哪里?因为我们需要根据您所去的地方来决定用那种型号的飞船。”“既然是冒险就要去较为危险的地方，恩?就去近距离观察一次黑洞吧!”局长大吃一惊：“黑洞!你疯了吗?那里可是很危险的!”谁知杰克不屑一顾，仍然坚持要去。局长拿他没办法只好允许了。就这样杰克去坐着宇宙飞船观察黑洞了。
宇宙飞船到了黑洞附近，因为速度太慢，摆脱不了黑洞的吸引力，一下子被黑洞吸了进去，杰克连惊吓带碰撞，晕了过去?不知道过了多久，杰克恍惚间听见有一个甜美而兴奋的声音传来：“他醒了!”他发现自己躺在一张舒适的大床上，周围的墙壁都是粉红色的，床单也是粉红的，好温馨啊!床的周围围了许多人，每个人都关切的望着他。“我在哪里?”杰克问。“你在黑洞里，我们都是以前被吸进来那些科学家的后代。”杰克走出了那间屋子，当看到眼前的景象时，杰克惊呆了：高楼大厦、奇花异卉、珍禽异兽?不仅景色优美，而且空气清新，没有丝毫污染的痕迹，简直就是天堂!经过打听，他才知道， 原来以前的那些科学家们带到这里的那些地球上的物质都被保护起来并且发展了。而在地球上，这些物质都已经因人类破坏环境而消失了。
后来杰克抵挡住了黑洞里的诱惑，借助那里的高科技回到了地球。他把他的经历写成了一本书，立刻引起了很大的哄动：有人说是假的乱编的，有人问那里是不是真的有花草树木， 有人问那里有些怎样的珍禽异兽。。。杰克后来干脆开了一个新闻发布会，解答了所有的问题。
杰克后来又带领一些科学家组成了一个考察队，专门去黑洞考察，看看到的到底是什么原因，可以让人类在黑洞里生存。考察结果让人们大吃一惊：黑洞居然有一个出口在地上，只有乘坐飞船才能出入，否则你无论如何也掉不到这个黑洞口里去。如果从这个洞口坐着飞船往洞里飞，就会飞到另一个宇宙去，回头看会发现你不是从黑洞飞出，而是---“地球”!那个宇宙里也有金星、木星、水星?还有一个“黑洞”。考察队本想再去那个黑洞看一看，但又怕进去出不来，所以就暂时放弃了。
最后，杰克决定住在黑洞里不返回地球了。
篇三：PC第一讲-有趣的数字黑洞-教师版
第 1 讲 有趣的数字黑洞
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任意写出一个三位数，再把它颠倒过来得到另一个三位数，求它们的差，最后告诉老师差的最后一位数字是几，老师就能猜出差具体是多少。不相信吧？那我们来试试看？
【分析】做几次简单运算，可以发现一个小小规律。任意写一个三位数，例如135。把它的数字倒过来写，
成为531。用其中较大的减去较小的，得到 531-135=396。
换几个另外的三位数，也做同样的计算，分别得到 876-678=198， 995-599=396， 963-369=594。
以上4个式子里得到的差，有一个明显的共同点：差的中间一位数字都是9。再仔细看看，还发现一个共同点：差的首、尾两位数字的和等于9。这样，通过观察和归纳，就发现了三位数颠倒相减的规律。还可以再随意写很多三位数颠倒相减的例子，来验证上面得到的规律，结果大部分都完全符合，只有两种例外情形。
第一种例外，如594-495=99，差是两位数99，不是三位数。 第二种例外，如323-323=0，这时的差是0。
由此可见，刚才初步归纳出来的规律，需要作两点小补充： 第一，如果差的末位数字是9，这个差一定是99； 第二，如果差的末位数字是0，这个差一定是0。 在其他情形下，差都是三位数。
同学们，我们再来做一个小实验！任意写出一个数，把它所包含的偶数数字的个数、奇数数字的个数以及这两者的和按顺序组成一个三位数，如此进行下去，每个学生都会得到一样的“齐步走”的口号。我们再来试试看？（有0的按照偶数计算）
【分析】例：所给数字 14741029
第一次计算结果 448 第二次计算结果 303 第三次计算结果 123
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老师给你们介绍一个非常有名的数字黑洞。任意写出一个正整数，如果是偶数，就除以2
；如果是奇数，就乘以
3再加上1。如此进行下去，老师可以预测，每个学生最后都会进入一个同样的循环，我们再来试试看？
【分析】比如我们写出的是7，那按照这种循环方式进行下去会得到下面的数列： 7,22,11,34,17,26,13，40,20,10,5,16,8,4,2,1，4,2,1??
我们会发现，不管写出哪个正整数，最后得到的永远是4、2、1的循环。
同学们，我们每次考试之前，是不是都想着：如果我能考100分该有多好啊！那现在老师来满足你们的愿望！任意写一个正整数，把这个数乘以五，再从积里减去你所写的数，所得的差除以你所写的数，最后把商加上96，看看得到的结果是多少？如此进行下去呢？
【分析】任意一个正整数，乘以5、减去这个数、除以这个数，经过这三个操作，最后得到的结果肯定是
4，那最后再加上原来的96，结果必然是100.
任意写出不全相同的三个数字，组成的最大的数减去组成的最小的数（此时0可以在最高位），得到一个三位数。如此进行下去，最多7步之内，你们就能够得到一个完全相同的三位数，而且老师可以猜出这个三位数是多少。很神奇吧，你们要验证一下吗？
【分析】比如我们写下173，按照上面的操作方式，可以得到：
731－137＝594
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954－459＝495 954－459＝495??
我们会发现，不管写出的是哪一个三位数，最后都会落入954－459＝495这个“怪圈”中。
像上面这种问题，如果我们继续探索下去，会发现，不仅是三位数，四位数、五位数甚至是9
位数，都有类似的“黑洞”。不妨我们来试试四位数吧！（6174） 【分析】比如我们写下3109，按照上面的操作方式会得到：
9310 －0139 ＝9171， 9711 －1179＝ 8532， 8532－2358 ＝ 6174。
而6174 这个数也会变成6174，7641－1467＝ 6174.
任意写一个3的倍数，先把这个数的每一个数位上的数字连乘三次、再相加，得到一个新数，然后把这个新数的每一个数位上的数字连乘三次、求和，如此进行下去，最后也会落入一个循环的“怪圈”里。
【分析】比如我们写下的是63，按照上面的操作，可以得到： 6×6×6＋3×3×3＝216＋27＝243
2×2×2＋4×4×4＋3×3×3＝8＋64＋27＝99 9×9×9＋9×9×9＝729＋729＝1458
1×1×1＋4×4×4＋5×5×5＋8×8×8＝1＋64＋125＋512＝702 7×7×7＋2×2×2＝343＋8＝351
3×3×3＋5×5×5＋1×1×1＝27＋125＋1＝153 1×1×1＋5×5×5＋3×3×3＝1＋125＋27＝153 ???
我们会发现，不管哪一个3的倍数，最后都会得到153.
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任意写出一个三位数（要求百位数字不能与个位数字相同），将这个三位数颠倒过来后求它们的差（差的百位若是0，将0补上，如差是99，即写为099），再将差颠倒后得到另一个三位数，把它与原来的差求
和。将你们最后得到的答案与其他同学对比一下，你得到了什么？
【分析】本题最关键的还是在于如何将问题给学生理解清楚，而最后每个学生得到的解答肯定都是1089。
24点大PK
【游戏规则】无
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篇四：黑洞的起源
黑洞的起源：
「黑洞」的觀念並不特別新奇，早在1798年，有名的學家拉步拉斯已察覺出因為無法射出光線於宇宙而被看成「黑洞」的星球之可能性。該想法在牛頓的重力理論的範圍內，極為簡單。此及縱然某種物體由行星、恆星、月球等彈出或射出。已知除非該物體具有比「逃離速度」更快的速度，它就不可能擺脫重力的引力脫離到宇宙空間。假如物體的速度比逃離速度慢，它不是掉回原位，就是像人造衛星那樣維繫其軌道運動。但拉步拉斯的構想被埋沒許久，因為一般認為不可能存在與太陽同一密度、半徑與地球的軌道半徑相同的星球，就算有也會因黑洞效果而不能觀測。可是到了1917年，黑洞終於以異於前述的方式被再提出討論。那是因為愛因斯坦的一般相對論出現而劃時代地改變重力的概念，使人們欲研究由此理論可預料的現象趨勢成熟。另外一提，關於“黑洞”這個名稱的由來，雖然天文學家Karl Schwarzschild在1916年就發現了廣義相對論中非旋轉黑洞的解，但是一直到1967年它才由諾貝爾物理學獎得主John Wheeler正式定名為“黑洞”(black hole)。
什麼是黑洞：
什麼是黑洞呢？簡單的說，黑洞就是一個其逃離速度超過光速的空間區域。大家知道，由於地球的引力，任何從地面發射的火箭如果沒有足夠的速度，就無法掙脫地球引力，最終會返回地面。換言之，如果火箭因運動而具有的動能小於它在引立場中所具有的位能的話，它就不能逃離。這些逃離速度我們都可以用牛頓力學公式求出。值的注意的是，不管脫離地球、脫離太陽或者脫離任何一個星體所需的逃離速度，不僅與該天體的質量有關，還與它的半徑（或密度）有關。這是因為引力不僅與質量有關還與距離有關，密度越大就越密集，天體表面也就越靠近它的中心，表面及其附近的引力就越強，因此，質量與太陽相近而半徑與地球差不多的白矮星，其逃離速度為6450公里每秒；質量與太陽相近，半徑只有10公里左右的中子星，其逃離速度竟達16萬公里每秒之巨。由此推論，隨著天體質量和密度的增加，逃離速度也不斷增加，終於會達到需要具有光的速度才能從相應的引力場中逃逸出去。但是，被越來越多的實驗證實的愛因斯坦相對論指出，沒有任何一種東西的運動速度能超過光速。因此，逃離速度為光速的天體，就是使任何東西（包括光）都不能從其中逃逸的天體，這就是黑洞。黑洞是一個幾乎與世隔絕的獨立宇宙，任何東西都不能從中逸出，但是外部的東西卻可以不斷進入，正像一個深不見底的漆黑洞穴，黑洞的名稱正是由此得來的。所以亦有人形容黑洞是只「吃」不「吐」的漆黑無底洞。
黑洞的形成：
黑洞的形成又可以有好幾種可能性，第一種較為可能的，是非常大量的物質集中聚集，而他們的密度保持不變，如此這一堆物質的引力就會隨著質量的增加而越來越強，最後引力強到連光都逃不出去，那麼它就會形成一個黑洞，例如把質量有1.4億個太陽的星體聚集起來，就會形成黑洞，這個黑洞的直徑是非常地驚人；第二種可能，是假若一顆恆星的質量固定不變，但是讓它不斷地收縮下去，那麼它的密度就會隨著體積的縮小而變得越來越大，引力場也越來越強，直到變成連光線也逃不出去的黑洞，例如要是把太陽收縮到半徑只有3000米那麼小，就會形成黑洞，這個黑洞直徑並不大，反而是密度非常大了。第三種可能本組以科學的方法來解釋：太陽的末期，氫會融合為氦，氦再融合為碳和氧以至更重的元素，直到核融合不能再提供能量為止，那時太陽內部將沒有足夠的壓力支撐外層的巨大重力，於是整個太陽要向中心塌縮。原子將被擠碎，電子要與核子分離，直到電子產生的壓力足以阻止太陽的進一步塌縮。那時的太陽密度很大，發出的光則只有原來的萬分之一，遂成了一顆白矮星。但是若恆星的某一質量大於某限度時，電子提供的壓力將不足以與引力抗衡，於是電子被擠入原子核內，與質子結合成中子，整個恆星塌縮為中子，密度變得更大了。當恆星的質量再比這個限度更大時，塌縮的結果是中子也無法存在，這時恆星將塌縮為黑洞。因此也有人說黑洞的形成是恆星演化、終結、死亡的結果。
黑洞內部的溫度及狀況：
此情況天文學家還沒有完全的定義。如果我們進入黑洞之中，首先會先通過事件地平面，進入一個完全是空的時空系統，只有恆星陷縮的奇異點（singular point）。雖然是空的時空系統，但其中可能存在著重力輻射，卻沒有任何可以“測出溫度”的介質。雖然在數學上可以預測出許多黑洞中奇特的狀況，如時空旅行等，但是卻很少人提及是否黑洞真的會以恆星陷縮的形式產生。根據超級電腦的計算，陷縮的過程可說是非常混亂。自轉黑洞曾被認為是通往其他宇宙的大門，或者是進入時光隧道的入口，但是經過研究恆星所形成的黑洞物理性質後發現，這些黑洞的內部充滿了巨大的重力輻射通量，粉粹了黑洞之旅的幾何可能性。如果黑洞在宇宙誕生後即形成，那麼其內部除了奇異點外一定空無所有，但是如果黑洞是由後來的超新星爆炸過程所產生的，那麼在我們在進入事件地平面後所看到的黑洞內部會稍有不同，因為時間尺度在我們的座標系統與陷縮星表面的座標系
統之間有極大的差異。從外部看，會發覺恆星的核心越來越接近其事件地平面，而且速度越來越慢，直到最後它似乎停止收縮並完全變暗，核心收縮的速度慢到似乎數十億年才收縮幾公分。此時，如果我們在火箭中衝向黑洞，我們會發現整個星球的表面完全在事件地平面之內，被奇異點吞沒。
黑洞內部能量：
由於黑洞的特性就是吞噬了一切東西（包括光），因此，黑洞裡面可能蘊藏著大量能量，甚至人們也感興趣，有沒有從黑洞中提取能量的可能方式呢？為此，必須進一步對自轉黑洞進行分析，且討論一項黑洞的基本物理性質──角動量。我們都知道，各種天體都在旋轉，黑洞應該也不例外，旋轉會使天體有角動量。由於封閉系統的總角動量守恆，當恆星塌縮時，自轉應加遽，一顆新的中子星每秒可旋轉一千多次，進一步塌縮成黑洞，旋轉速度應更快，這是不可避免的，因此，在討論黑洞時應考慮到它的自轉與角動量。自轉黑洞仍然存在著逃離速度為光速的「史瓦西半徑」，但它外面一定範圍的空間也將隨著黑洞一起像剛體那樣旋轉，這個與黑洞一起旋轉的空間稱為黑洞的「工作層」，工作層熱外邊緣稱為「靜止極限」。進入工作層的物體，將隨黑洞一起高速旋轉，獲得很大的能量和角動量，但由於還在史瓦西半徑之外，所以只是黑洞的半捕獲物，既有可能進一步進入史瓦西半徑內被捕獲，也有可能在特殊的條件下越出工作層，先進入然後又越出工作層的物體，由於進入後隨黑洞一起轉動附加了能量，因而越出時將帶走附加的能量。換言之，黑洞的一部份能量和角動量轉移到了物體上，並被它帶走，這就是從黑洞提起能量的一種可能方式。當然，從自轉黑洞提取能量的過程並不是無限制的，就像宏關過程都要遵循熱力學中的熵增加原理一樣，從自轉黑洞提取能量必須保持黑洞的表面積不變而減少其質量。理論計算表明，我們可以把一個自轉黑洞總能量的百分之30擠出來，辦法是小心地把物體送入工作層，帶它們越出後再收集起來，如果能實現的話，黑洞就會失去它的自轉能量只剩下質量，從而靜止極限與史瓦西半徑重合，這時黑洞就「死」了，再也不能直接產生能量了。有趣的是，經過計算，從一個質量為108M⊙的黑洞中可以提取的最大能量為6*1055焦耳，這似乎正是活躍星系或似星所需要的能量。另外一方面也重要的，一般認為黑洞就是吞噬，不可能發出任何東西。但是1974年霍金（Hawking）的最新研究報告，情況可能不完全如此。霍金指出，物質─反物質對（意即正、反粒子對）經過黑洞附近時，可能一個掉入黑洞，而同時將另一個排出黑洞，這意味著黑洞能夠產生和發射一些粒子，以微觀的奇特方式穩定地往外“蒸發”粒子，有了這種“蒸發”，黑洞就不再絕對是“黑”的了，黑洞也將會在長時間內逐漸被蒸發掉。霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，黑洞越大，溫度越低，蒸發也越微弱，黑洞越小；溫度越高，蒸發越強烈。小黑洞由於蒸發，質量就會
迅速減小；質量小了，溫度就變得更高；溫度高了，蒸發又進一步更快........這樣下去，黑洞的蒸發就變得越來越激烈，最後終於以猛烈的爆發而告終，這就是不斷向外噴射物質的白洞了。不過這種說法，有沒有白洞？目前還是持保留態度，必須尋找更多天文觀測證據才能確定。
如何觀察、尋找黑洞：
黑洞的存在有多大的可靠性？我們已知目前在銀河系中或為新星的物質大約10%，將成為擁有太陽的10倍以上的質量的星球。由此可以推測在我們的銀河系中有9、10個左右由質量大的星球所造成的黑洞。一部份天文學家更主張在銀河系年輕時應有更多質量大的星球，所以應該會形成更多的黑洞。天文學家最初的尋找方法，是假設如果有一個發光天體位於黑洞後方並被黑洞遮擋吸收掉一部份光，根據這種「掩蝕」的現象或許可以判斷是否存在黑洞，但是考慮到黑洞太小，這種方法難以奏效。黑洞的特點既然在於它的巨大引力，那麼可以設想的尋找方法應該藉助於黑洞巨大引力所導致的各種效應。假設太陽仍在原來位置上，但變成了半徑三公里的一個小黑洞，顯然，太陽系將漆黑一團，除閃閃星光之外別無其他亮光，但是，由於太陽的質量、引力依舊不變，地球及其他行星應該照樣沿著現在的軌道運行，因此雖然變成黑洞的太陽無法直接觀測，但從地球和其他行星的運行可以推斷它的存在。由此推廣，如果能找到一對雙星，一亮一暗，根據亮星的運行推斷出確有暗伴星存在，並且如果暗伴星的質量大於某一界限（超過塌縮成白矮星或中子星的質量上限），那麼，這個不能直接觀測的雙星系統中的暗伴星很可能就是一個黑洞。但是，單純從雙星系統的暗伴星中尋找黑洞，由於存在各種難以鑑別的可能性，因此用這種方法尋找黑洞也失敗了。然而僅僅過了兩年，又出現了頗為不同且在之後得到進一步確認的觀測方法，1964年初，幾個理論家預言：雙星系統中的黑洞，由於它的強大引力，可以擄獲從亮伴星中流出來的氣體，在氣體被吸引衝向黑洞的途中被加熱到很高的溫度，並將發出很強的X射線，因此，如果能找到一個暗伴星，它能發出X射線，且質量足夠大，那麼它就很可能是一個黑洞。按照這種理論，從觀測上尋找黑洞的方法應該是：尋找X射線源，找到它的光學對應體（亮伴星），發現系統的雙星性質，估計暗伴星的質量。目前此種方法已得到確認，開始了更大規模的搜尋黑洞的計劃。
利用黑洞做時光旅行：
黑洞只可能用於進入未來！就目前所知，在我們的宇宙中，似乎不可能回到過去。依照愛因斯坦的廣義相對論與哈佛大學物理學家 Pound 及Rebka 的實驗證明，在重力場中，外部的觀察者會看到強重力場中的時鐘走的較慢，這類似於狹義相對論中時間延遲 (time dilation)的效應，而且其條件為除了重力紅位移效應外，兩者之間沒有其他任何相對運動。也就是說，若 A 為朝向黑洞之強重力場中運動的人員，並且固定每秒鐘發出一個光波訊號，在遠距離外的 B 觀察者所看到 A 人員發出的光波訊號間隔時間會越來越長，從一秒鐘到一分鐘、一小時甚至更長。當 A 越接近黑洞的事件地平面，遠方觀察者 B 所看到的光波訊號間隔越長，也只有能量更高的光子可以脫離黑洞的重力場。當 A 穿過事件地平面進入黑洞後，最後一個發出的光波訊號會以幾乎無限大的紅位移傳送出來。如果A 的光源為一兆電子伏特能量的 r-射線，當傳送到觀察者 B 時可能已經變成只有 0.00001 電子伏特的無線電波！雖然光源 A 仍舊維持在每秒鐘發出一個信號，但觀察者 B 收到信號的間隔可能隨著光源越接近黑洞而越長，可能是一分鐘、兩分鐘。換句話說，對於 A 本身來說每過一秒鐘，對於觀察者來說卻已過了數分鐘之久。就本質上來看，A 的時間流動比觀察者 B 為慢，如果在 A 進入黑洞前能夠再與 B 會合，將會發現 A 的時鐘比 B 走得慢多了，這段也許只花了 A 幾小時的行程，在 B 看來可能已過了幾千小時！質量為太陽大小的黑洞，在接近黑洞附近時其重力潮汐十分巨大，所以在 A 到達事件地平面幾百公里前，便已經被拉扯成麵條那樣細長的碎片了。但是對於超巨質量的黑洞來說，雖然其質量可能達太陽的數十億倍，在事件地平面附近的重力潮汐力反而可能非常小，A 或許有脫逃的機會，能夠穿越這個單向的屏障（也許沒有）。原則上，假如 A 能夠在進入事件地平面前幾釐米前脫逃出來的話，那麼 A 所進入的時間將是外界觀察者 B 認知中的未來世界，也許是數千年後，但是對於 A 來說，只不過經歷幾小時而已。該注意的是，上面的例子只是描述接近與逃離黑洞、並進入未來世界的過程而已，數據是為了加強描述的效果而虛設的，並非真實計算結果。詳細的計算方法很難在此敘述清楚。
關於黑洞的其他問題：
黑洞會“長大”嗎？
是的，黑洞會藉著吸入物質而逐漸長大。一般恆星質量的黑洞可以藉著吸入其伴星的物質而使本身質量加大。超巨質量黑洞則是在數十億年演化期間中藉著吸入數百萬顆恆星而形成。目前黑洞吸入物質的過程仍在研究中，但黑洞的確是宇宙中的嗜食狂，很難滿足它的胃口。
篇五：黑洞
黑洞
贪婪的黑洞原本是恒星
实际上，黑洞概念的提出已经有200多年了。1783年，英国人约翰·米歇尔（John Michell）第一个提出丰在质量足够大并足够紧密的恒星——它的引力是如此强大，以致连光线都不能逃逸。几年后，法国科学家皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯（Pierr—Simon de Laplace）也在他的《世界系统》一书中提出了和米歇尔类似的观点，但非常有趣的是，此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了，或许他觉得这个想法过于荒诞了。在一个多世纪以后，德国的天文学家卡尔·施瓦西 (Karl Schwarzschild)于1916年求解出了爱因斯坦广义相对论方程的第一个严格解。这个解预示可能存在一类巨大天体，这就是60年代后人们所称的“黑洞”。第一次“看到”黑洞是在1971年，那时通过1970年12月12日美国发射的小型天文卫星 “自由号”(Uhuru)，发现了一个来自天鹅座区域的很强的x射线脉冲源，它被命名为天鹅座x-l，这是第一个被具体确认的黑洞。从那以后，黑洞变成了天体物理学的热门课题。今天，我们对黑洞的形成过程已有很多了解，简单地说，黑洞是质量巨大的恒星在超新星爆发后坍缩(即自身极强烈的收缩)而成的。我们可以把黑洞想像成一个巨大的“磨碎机”，它把吸进的物质磨碎。它的中心被称为“磨碎点”，也就是所谓的“奇点”。在此“奇点”，科学定律和我们预测未来的能力都失效了。黑洞的边界被确为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨过这一界面就落入了黑洞的内郡。不过假设有人不幸掉进去的话，他首先看到的是被黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。
逐渐展露面目的黑洞
人们猜想包括银河系在内的众多星系的中心区域都有许多黑洞。有许多迹象都支持这种猜想。我们可以观测到，太空中有一些物质围绕一个中心极快地旋转，这表明存在一个引力巨大的引力中心——黑洞。而黑洞及其伴星发射的X射线辐射则将研究带到了更清晰的层面。第一个落网的黑洞是天鹅座X-1，它的质量是太阳的6倍，距地球8000光年。这个黑洞的伴星是一个质量超过太阳20倍的蓝超巨星，它发射的气体尘埃形成一个称为 “吸积盘”的气体圆盘，正是这个吸积盘表明了黑洞的存在。
在我们的银河系内，其他一些天体也已呈递了表明自已黑洞身份的证书。例如，距地球8000光年的AO620-00和尚未测出距离的GX339-4，与麦哲伦云毗邻的两个天体LMCX-l和LMCX-3等。其他河外星系中同样发现了可能的黑洞，它们以每秒千万公里的速度吸进星际气体并喷出强大的射流。
目前已知的保持最高纪录的黑洞是质量超过太阳50亿倍、位于室女座的M87星系。在这个黑洞面前，我们的星球简直是轻如鸿毛。
许多星系的核心都可能隐藏着相当数量的黑洞，如同银河系的核心那样，那里是许多年老恒星的共同坟墓。一个有待验证的黑洞是人马座A，它是一个双星系统，而且应该有一个巨大的吸积盘，并能发射巨大的能量。它虽然还不敢与M87星系的实体竞争，但也非同小可——其质量可能是太阳的350万——500万倍。
跳舞的恒星
某些情况下，一个双星系统可以演化为黑洞。在已变成黑洞的恒星周围仍有一个可见的
伴星在旋转，从伴星表面被吹起来的气体物质落向黑洞，围绕它旋转，形成一个圆盘。惠勒形象地将这种现象比喻为两个舞蹈演员在跳华尔兹——穿深色衣服的黑洞带领穿白色衣服的女舞伴旋转。而从恒星舞蹈中涌出的X射线使我们察觉了黑洞的存在。这种看法被罗马天文台的路易吉 ·斯泰拉（Luigi Stella）和罗马第三大学的马里奥·维耶特里(Mario Vietri)于1997年11月的发现进一步证实。根据罗西X射线时变探索者号天文卫星（简称RXTE） 的观察结果，两位科学家指出，从密度很大的天体发射出的X射线辐射是受时空拖曳这一特殊现象支配的，而这种现象只能以黑洞的存在来解释。
假如你跳进黑洞
如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢地牺牲
自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？设想在第一艘飞船上的是一位“智能”机器人，在接近视界，即到达有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点 (黑洞中心)时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度 。
这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界
面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进人能层，飞船将被拖人旋转的运动。
能层有一个令人惊奇的特性，玉如英国数学家罗杰·彭罗塞(Roger Penrose)指出的那
样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能
神奇的黑洞之旅
假如有魔法使一个宇航员能乘飞船安然无恙地钻到黑洞内部，那他就会给我们讲述许多
惊人的事。由于场面是一个旋转着的黑洞，那他讲述的就可能是经过能层的情景，在那个区域中的一切运动都按黑洞旋转方向转动。钻到这个地区后，飞船也可能会不停地上下升降，从这个区域进进出出。当然这要有足够的燃料。
如果我们倔强的宇航员决心再往前走，一直钻到被称为视界的第二个界面，他会发现，
在某些条件下，由于极强的离心力，飞船会留在那里永远旋转而不再下沉，但也没有出来的可能性。这一情形类似露天游乐场转动的大圆筒，它把人挤压在筒壁上，只要圆筒一直旋转人就无法移动。
黑洞本身就是一个神秘的物体，它像一台失控的计算机，可以吞下任何信息同时又能把
掉进去的任何东西的内容毁坏。我们能收集到的有关黑洞的物理特性只有三个，即质量、角
动量和电荷。其余则是一堆无用的信息，它们对弄清黑洞内部的物质特性毫无帮助。在奇点，即黑洞中心密度无限大的点上，爱因斯坦的广义相对论和由此而推导的时空定律将全部失效，不再具有“公民”的权利。
但是伟大的黑洞理论家、英国天体物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)以巧妙的
脱身之计在视界找到了关于黑洞胃口的宝贵信息。黑洞吸进的物质越多就越增加它的质量，越扩大它的视界。这是一个如此快速的能量交换场面，连大自然都难以察觉。
和不转动的施瓦西黑洞相比，转动的克尔黑洞的内部结构要复杂得多。它的奇点是一个
平躺在赤道面上的圆环，而不再是一个点。如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域，那里有一个白洞，它像一个弹射器，能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界，即另一个宇宙中。另外，在克尔黑洞的真实视界边界以内还有着第二个视界(内视界)。这个球形面包围开“保护”着圆环状的奇点，内、外视界间的区域不受奇异性的影响(指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界)。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。
令人向往的宇宙生态城
转动的黑洞有一个非常有趣的特性，这就是著名的彭罗塞过程。彭罗塞于1969年指出，在能层中，当物质粒子的转动方向与黑洞相反时，粒子的能量相对于无穷远是负值。如果一个粒子从远处落入能层，并在能层中分裂成一个与黑洞转动方向相反，另一个方向相同的两个粒子，那么当转动方向相同的粒子离开能层，飞离黑洞，而另一个落人黑洞视界时，飞离黑洞的粒子能量将大于原来的粒子。
利用能层的这一特性，希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗(Demetrios Christodoulou)想出一个很巧妙的方法从黑洞中提取能量。这就是向能层投物质，一部分物质被视界吸入后获得负能，另一部分则装载宝贵的能量被发射出来，这些能量比原来物质所积聚的少量能要多得多，特别是没有废料的问题。
具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的钢性骨架，当然要离黑洞足够远，以避免过大的潮
汐力的作用。然后在这个骨架上建设一座工业城市，将每天数百万吨垃圾收集起来，装上小车，倾人黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层并到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的与黑洞转动方向相反的轨道上。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减小了转动速度，与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转子回收，释放出大量的转动能。这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。由每辆小车的回收所净得的能量等于抛出垃圾的质量能量再加上黑洞本身质量能量的一部分。
这确是一个聪明的方案，城市居民不仅把垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了
黑洞的一部分能量。不过每次倒进和回收的操作会使黑洞旋转速度放慢，最后理想城市的创意者就将这个环形城市像陀螺一样转到另一个新黑洞的周围，继续同样的过程。这的确是一个令人向往的生态城市。
实际上，彭罗塞过程不只是一种趣谈。黑洞转动能量的提取，有可能已经在自然的天体
物理条件下，正通过一个适当分布的外部磁场而实际发生着。
不同宇宙间的走廊
黑洞这个贪吃的掠夺者不再把物质归还到我们的宇宙，而是在它们内部深深地隐藏了起
来，不让我们看到。但纯理论研究却显示黑洞存在一个完全相反的对立面：白洞。这是一块
任何物质都绝对进不去的领地，但却可从里面出来。人们假设在白洞和黑洞间有被称为虫洞的隧道相互连接。物质从白洞的奇点跳出来，在白洞奇点物理定律不管用了，因果关系也不见了，以致在这一区域物质形态也不存在了。
但是，彭罗塞确定，如果黑洞奇点的存在是由于它是我们的宇宙的组成部分，那么白洞
奇点既不能因我们的宇宙而存在也不能单独存在，就是“宇宙监督”假说。正是这个假说否定了我们宇宙间存在白洞的可能。
因此白洞的祖国就转移到别的地方，让我们看看是怎么回事。在宇宙起源时突然膨胀的
时代可能形成了许多隧道，像蛀虫钻孔一样，故称为“虫洞”。根据惠勒的看法，这些隧道把黑洞视界的内部区域和白洞视界的内部区域连接起来而没有奇点，这样虫洞就成为空心管道，就可能将从黑洞吸进的物质通过空心管道再从白洞排出。物质所作的旅行可以被看作从它熟悉的宇宙出发，掉进一个有去无回的洞中，但却在完全陌生的、不同的宇宙中获得新生。黑洞间可以相互联姻
现在，进入黑洞的是恒星尘埃、气体、光、有机器人宇航员的宇宙飞船以及待转换成能
量的垃圾。不管怎样，被俘获的物质只会增加黑洞本身的质量，同时也扩大它的半径和表面。如果质量增加一倍，半径也增加一倍，而视界的面积则增加四倍。那它是否会永远增加下去呢？霍金首先做了一个断然的回答：既然证实黑洞不会再缩小，那它就会继续无限地增大。由于是延续的，所以增大是逐步的。不过有一个特殊情况，那就是两个黑洞可能相互接触和碰撞，在互相吸引的过程中一个黑洞进人另一个黑洞，两个黑洞变成一个单一黑洞，而这两个黑洞的全部组成要素被保留下来。更大的单一黑洞又可能与另一个黑洞相撞等等，这样就产生质量和体积更大的黑洞。
人们认为，在相撞的过程中，大约有千分之一的黑洞静能释放出来，以引力波形式向宇
宙空间散发，速度和光一样，它的面积不断扩大，黑洞的熵也增大。就是说内部“混乱”在增长，即有关吸入物质的信息无法使用，也无法补救，好像一台计算机偶然把刚写好文章的字母弄乱一样。因此黑洞中只能传出描述它的三个信息：质量、角动量 (指黑洞的转动)和电荷。惠勒把这种信息比作秃子头上只有三根头发，我们不可能了解掉进去的物质是什么。在这三种信息的基础上可以对黑洞进行划分：没有角动量也不带电荷的施瓦西黑洞，它具有“奇点”和“视界”的特性；具有角动量但不带电荷的克尔黑洞；以及具有角动量并带电荷的黑洞。此外，还可以从黑洞的起源进行区分。但最新的分类是依靠“颜色”。这看来好像有点荒唐，内部不射出一束光线的黑洞怎么可以是彩色的呢？实际上，这里所说的颜色不是通常的红、 蓝、绿等光的颜色，而是用来区分夸克的不同状态“色”。夸克是组成质子和中子的更小的基本粒子。对我们的天体物理学家来说，在追踪无限小到无限大，又从无限大到无限小的过程中收集黑洞的不同“颜色”的追逐开始了。
黑洞最后的命运：大爆炸
在黑洞不断增大的假设中，黑洞的生命永远不会停止。但有一个预示性的停止，正是由
同一位霍金做出的，他把黑洞比作一个不断充气的气球。1976年，霍金在《自然》杂志上发表文章指出，黑洞会不断蒸发直到最后爆炸而消失。
今天这种理论已被普遍认同。人们认为有可能“看到”黑洞的最后的闪烁，就是能从高
能电磁波中观测到的黑洞最后爆炸时发射的γ射线。
黑洞总是贪吃的，它们的终结正是由于狼吞虎咽地吃了某种消化不了的东西：带“负能”的粒子。带负能的粒子与提供正能的粒子一起来源于能层，但那些提供正能的粒子被推到了黑洞外面，而黑洞则吞下了带负能的粒子，这样它们就不得不用消耗自己能量的代价来弥补债务。因此黑洞的质量减少了，并开始了一个不断蒸发的过程。黑洞越来越小，越来越热，
它的能量在空间散失，最后这个老掠夺者就爆炸和消失了。
黑洞的大小不同，蒸发程度也不相同。
现在我们换个话题，不谈从恒星坍缩产生的黑洞。科学家认为，大爆炸后立即产生出宇
宙，那时形成了许多极小的黑洞：它们大小像一个质子但重量达亿万吨。质量巨大和温度极高的微型黑洞正是蒸发现象的理想发生地。
现在，这些微型黑洞多数已经消失了，但另外一些爆炸正在发生之中。据天体物理学家
说，有可能利用一个正在蒸发的微型黑洞来代替我们的太阳。这个微型黑洞的质量为月球质量的1/1000，但直径只有0.0005毫米。
这样一个微型黑洞的温度为几千度，接近太阳表面温度，而且持续辐射能量的时间长达
3410年，如果和已知的宇宙年龄150亿年相比，时间是足够长了，如果和太阳100亿年的寿命相比，更可以说是一个永久性能源了。
开放与封闭的宇宙
被视为天空灯塔的类星体，是与恒星相似的光源，但却远在几十亿光年之外。典型的类
星体虽然比任何的银河系都小，但它却能散发出巨大的能量，比银河全部恒星发射的能量还多200倍。现在认为类星体只是一个黑洞，它的质量比太阳质量大几亿倍，而且在不断吸收物质，不断长大，并在周围引起粒子的喷射。惠勒认为，类星体是活跃黑洞的物理特性最为壮观的表现。
在宇宙的进化中，黑洞的作用是不相同的。根据爱因斯坦的广义相对论，对目前膨胀中
的宇宙存在两种可能的命运。如果物质密度超过一定限度，称为临界密度，宇宙就停止膨胀并开始收缩，还是封闭宇宙的场面。如果没有达到临界密度，继续膨胀，我们面对的是一个开放的宇宙。
在封闭的宇宙中，黑洞不断吸收物质并且不断地增大。由于它们越变越大，因此就能找
到更近的物质，之后与其他黑洞相撞产生更大的黑洞。最后把宇宙中的物体都吸进去，宇宙中只剩下它们自己。甚至可以说宇宙像是惟一的一个黑洞。但实际上，封闭的宇宙有一定的 年龄，到一定时期就开始收缩，在宇宙成为单一的黑洞之前，封闭的宇宙就会因收缩而毁灭。 在开放的宇宙中，膨胀在无限制地继续着，由于物质不断散失和离开，黑洞间相撞的可能性也日益减少。这个掠夺者的命运只能是在蒸发现象中毁掉。时间呢？长极了。一个黑洞全部蒸发所需的时间是与其质量的三次方成正比。一个质量与太阳相同的黑洞，它消失的时间将是目前宇宙年龄的1054倍。
但对各星系中心的最大的那些黑洞来说，它们在无限膨胀的宇宙中都将全部蒸发。最终
留下来的是一个稀薄的、温度接近绝对零度的宇宙，而残存下来的只有质量为零的粒子，如中微子和光子。
小学作文