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现代科学技术概论大连大学现代科学技术概论教学团队2008年９月一、宇宙篇太阳系宇宙黑洞探索地外生命起源与演化授课教师：刘金寿Emal：ljslyy@163.comqq:303479135Tel:87402728-882515942605163Netclass:网络课程平台宇宙篇一、科学家的预言二、观测与发现三、黑洞的类型四、白洞、虫洞与时空旅行目录什么是黑洞？怎样观测和发现黑洞？黑洞有那些类型？有白洞吗？宇宙黑洞视频：调查——什么是黑洞拉普拉斯预言的黑洞1798年，法国拉普拉斯预言：一个与地球密度相同，而直径为太阳250倍的星球，它发射的光将被其自身的引力拉住而不能被我们接收。宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。RGMv21光速宇宙中存在着奇异暗星一、科学家的预言米切尔预言的黑洞一个密度与太阳相同，而半径为太阳500倍的星球，会使朝它下落的物体，在到达星球表面时的速度超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸引，那么，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。依据：围绕星体运动物体的向心力和引力公式推算拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的暗天体可能像恒星一样众多1783年，他在英国皇家学会会议上发布：(1).爱因斯坦广义相对论关于“质量引起时空弯曲”史瓦西预言的黑洞质量足够大、体积足够小，都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度视频:物体质量令其周围的时空弯曲史瓦西预言的黑洞德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916年）通过计算爱因斯坦方程后预言：如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。(2).史瓦西预言的黑洞22cGmr天体半径达到左式范围时光线也无法逃脱令v=c，该式就变为拉普拉斯公式美国物理学家惠勒（J.A.Wheeler）将这类天体命名为“黑洞”（BlackHoles）史瓦西预言的黑洞(3).质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成黑洞质量不变太阳压缩到半径3km时地球到半径3mm时黑洞角色主序星（太阳）白矮星中子星黑洞半径70万千米1万千米10千米3千米平均密度1.4g/cm3~1T/cm3~1亿吨/cm3~100亿吨/cm3表一主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度两种力量的较量及结局(1).引力与斥力的较量天体内部向内收缩向外扩张万有引力物质粒子之间的斥力来源主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的高温热运动形成的辐射压，辐射压与引力压平衡；白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力，主要来源于高密度电子间的泡利斥力；中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力则来自中子之间的泡利斥力（简并压）；黑洞内部未知两种力量的较量(2).恒星演化的最终产物内部的核燃料耗尽时，热核反应熄火，外向的辐射压消失，失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发生急剧的坍缩，坍缩又引起反弹和爆发，爆发使大量物质被抛射。坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核，而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。视频：恒星——中子星——黑洞视频：黑洞的产生质量小于3.5m⊙的恒星历经红巨星阶段，演化成白矮星质量在3.5～8m⊙之间的恒星最终经历超新星爆发，进而形成中子星质量大于8m⊙，晚期爆发后其核心区最终形成黑洞中子星的奥本海默极限如果中子星的质量超过3.2m⊙（精细的模型给出值在2～3m⊙之间），则其的中子间的泡利斥力就再也阻挡不住星体引力坍缩，会进一步被压缩成一个体积很小而质量巨大的高密度引力源——黑洞。上述3.2m⊙（常记作3）的中子星界限被称作“奥本海默极限”，任何超此极限的恒星都难以停留在中子星阶段。奥本海默（1904～1967）在1939年研究提出视频：中子星形成黑洞的条件二、观测与发现观测黑洞的方法1．黑洞无毛定理由于黑洞及其视界以内吸引一切，所以我们无法看到它的真面目。按照现行的物理理论，黑洞强大的引力场足以摧毁其内部的一切物质形态，扫去一切复杂的物质结构，刮去了“毛发”，使结构变得简单，只剩下了质量、电荷及角动量，知道了这三个参量，也就知道了它的一切。惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”（也可以说只有M,Q,J三根毛），后来被人们称为“黑洞无毛定理”。视频：黑洞的观测核心喷流现象黑洞的观测与发现观测黑洞的方法2.探测方法与手段:间接推测引力透镜现象M87及其喷流的X射线照片异常X射线源及γ射线源视频：黑洞周围星体的运动黑洞的观测与发现1966年探测到天鹅座X-1号星，质量约为7-14m⊙，射出强烈的X射线、γ射线。1971年，X射线天文卫星“自由号”在观察天鹅座X-1号星后证实：看得见的那一颗是蓝色的超巨星；1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。（1）天鹅座X-1号的双星系统黑洞候选者黑洞的观测与发现强X射线源LMCX－3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞。（2）LMCX-3双星中的暗星黑洞候选者银河系附近的“大麦哲伦云”星系发现的第二可能的黑洞黑洞的观测与发现在麒麟座距地球约3000光年外，发现了X射线源A0620―00，其质量在3.2-7m⊙之间，可能是已知离地球最近的候选者。（3）麒麟座X射线新星A0620－00黑洞候选者黑洞的观测与发现1990年发现了一个较强的X射线和γ射线源，它距银河系中心不到300光年，暂时代号为1E1740.7-2942（4）银河系的1E1740.7-2942黑洞候选者黑洞的观测与发现1994年，哈勃太空望远镜拍摄到，在距离地球约5000万光年的椭圆星系M87中，一团宽约1.6亿公里的灼热气体形成的吸积盘正在环绕其中心旋转每秒竟达约500公里的旋转速率表明，它可能有一个量级可达109m⊙的超大质量黑洞。（5）遥远星系（M87）的中心黑洞黑洞候选者高能喷流高速带电粒子小到10光年的亮团组成巨大的黑洞正把星体吸进去黑洞的观测与发现2002年，美国加州大学的科学家在《自然》周刊上公布了银心可能存在黑洞的消息。该黑洞的体积大约是太阳的260万倍，直径大约是地球轨道直径的1/10，众多恒星围绕它旋转，构成巨大的圆盘。该黑洞是一个强烈的射电和X射线源，定位在人马座A（SgrA，）的地方，称为人马座A*，离地球约有26,000光年的距离。（6）银心黑洞M87及其喷流的X射线照片这是1995起用4年时间拍摄的照片黑洞候选者三、黑洞的类型史瓦西黑洞（基态的黑洞）史瓦西黑洞属于“寻常黑洞”。原星质量大于8m⊙的恒星，其引力坍缩的最终结局会形成黑洞。黑洞的类型克尔黑洞（旋转的黑洞）黑洞的类型雷斯勒―诺斯特朗姆黑洞（带电的黑洞）黑洞的类型超级大黑洞（星系级超级大黑洞）由爆发星系、星系碰撞及巨大能量活动能够形成“超级大黑洞”，一般存在于星系核心。银河系及许多星系中心都存在着超级大黑洞，最大的达到30亿倍太阳质量，1小时吞吃600个地球质量的物质。银河系中心的超大黑洞，据推测每小时吞噬4个地球。视频：星体周围弯曲的空间霍金辐射黑洞并不是没有任何辐射。牛津大学的彭若斯、美国物理学家米斯纳等人论证，处于转动的、带电的激发态黑洞存在超辐射和自发辐射，并且这类辐射可以带走黑洞的转动能、电磁能和电荷，导致黑洞转速减慢、电荷减少、能层变薄，直到蜕化为不转动、不带电的史瓦西黑洞。霍金辐射1974年，在提出原始黑洞的概念后，霍金（StevenHawking）应用量子场论的方法推证得出，一定质量的黑洞都有一定的温度，因而能发出热辐射，被人们称为霍金辐射。原始黑洞激发态黑洞带走转动能电磁能和电荷史瓦西黑洞辐射蜕化视频：霍金1视频：霍金2黑洞的热辐射与其质量有关。质量越大温度越低，辐射越弱；质量越小，温度越高，辐射越强。有效的热辐射会使质量亏损。1m⊙的黑洞热辐射极弱，只有10-6K的辐射温度，质量损耗也很小；而10亿吨的小黑洞，温度高达1012K，具有明显的辐射效应和质量亏损。只有低于1020吨（相当于月球质量，半径只有0.1mm）的小黑洞才能发生有效的蒸发。小黑洞的蒸发过程起初很慢，随着质量的消耗则越来越快，最后发生强烈的爆炸，放出耀眼的光芒而消亡。黑洞蒸发黑洞的寿命与其质量的立方成正比，质量越小蒸发的越快，寿命就越短。一个质量为1吨的黑洞会在10-10秒内蒸发光，质量为100万吨的黑洞只能存在10年，初始质量为10亿吨（相当于一座山的质量，大小如同质子）的黑洞，寿命有150亿年；而一个1m⊙黑洞的寿命是1066年！这巨大的数字并不意外，因为黑洞的蒸发是通过“隧道效应”泄出辐射的量子效应，只发生在量子尺度上。黑洞寿命原始黑洞有如下特点：a.具有较高温度，“放出物质和辐射”b.吸积效应小于发射效应，可以蒸发消失原始黑洞特点发射效应与吸积效应质量足够大的黑洞来说，无论它们是在宇宙早期形成的还是后来在超新星爆发时产生的，其质量增大的速率超过了其自身蒸发的速率，只有一天天长大。粗略的估算，质量小于1012kg的黑洞已经蒸发掉了，质量在1012~1023kg之间的黑洞现在正在蒸发，而质量在1023kg以上的黑洞，包括由恒星演化形成的“第二代”黑洞，则正在吸积物质不断长大。微小质量黑洞簇射地球大气层前苏联科学家亚力山大·特罗缅科等人于1991年提出了“微质量黑洞存在于一切空间”的假说，引起不少科学家的关注。他们还认为，这类黑洞在地球上并不少见，有的给人类带来许多麻烦和灾难。例如，美国夏威夷群岛的火山地幔中可能就隐藏着这类黑洞，成为岩浆翻滚的热源，它们发射的中微子也比太阳射向那里的多（据说1000倍），更容易被观测到。微型黑洞黑洞、白洞、虫洞与时空旅行白洞20世纪60年代初，前苏联的诺维可夫和以色列的尼曼等人又根据爱因斯坦场方程的史瓦西解提出了白洞的模型。黑洞是宇宙中吞食物质和光的“陷阱”，是最“自私”的怪物；白洞却是宇宙中最“慷慨”的天体，各类高能物质乃至光线从这个源涌向宇宙，包括外来的物质和能量它也一概加以排斥。黑洞、白洞、虫洞与时空旅行虫洞如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径即视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。虫洞概念的出现，几乎与黑洞同时。电脑绘制的虫洞黑洞、白洞、虫洞与时空旅行爱因斯坦－罗森桥虫洞就是源于宇宙泡之间的隧道，并且可能不止一条，有的并不通向另外的宇宙泡，而只连同自身的两部分，就像“手柄”。虫洞的端口就是黑洞和白洞，就是源和汇。在这里，虫洞成为一个连接黑、白二洞的，物质在黑洞的奇点处被瓦解为基本粒子，然后通过爱因斯坦－罗森桥被传送到白洞辐射出去。虫洞与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接，虫洞的时空曲率并不是无限大，因而我们可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力摧毁。爱因斯坦－罗森桥黑洞、白洞、虫洞与时空旅行视频：科幻片“接触未来”选段科学家设想，应用虫洞或爱因斯坦－罗森桥，可能克服遥远的可见和漫长的时间障碍，实现“超时空旅行”。查阅浏览作业：利用搜索引擎搜索查阅“超空间发动机”和“超时空旅行”内容，并归纳主要思想。视频：科幻片“飞碟导航员”选段视频：时空弯曲与超空间旅行黑洞、白洞、虫洞与时空旅行超时空旅行谢谢！