不能束縛，磁場是一種規則化的量子場能表現形式的一種，場能作用是量子存在狀態的基礎，也是強引力存在的根源，所以決定磁場狀態的只是量子規則化的作用與分佈，而不是同一存在根源的強引力場。

黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間記憶體在的一種天體。黑洞的引力很大，使得視界內的逃逸速度大於光速。

1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）透過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個介面——“視界”一旦進入這個介面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為“黑洞”。

“黑洞是時空曲率大到光都無法從其視界逃脫的天體”。[1][2][3]

黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。

中文名

黑洞

外文名

Black Hole

分類

宇宙天體

發現者

卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)

發現時間

1916年

冷知識 其實黑洞並不黑

 黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間記憶體在的一種密度極大體積極小的天體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。黑洞的引力很大，連光都無法逃脫。其實黑洞並不“黑”，只是無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。

演化過程 聽語音



兩個互相吞噬的黑洞

黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點和周圍一部分空空如也的天區，這個天區範圍之內不可見。依據阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當一顆垂死恆星崩潰，它將聚整合一點，這裡將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。

黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程：某一個恆星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下，由於恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。[4]

也可以簡單理解為：通常恆星最初只含氫元素，恆星內部的氫原子核時刻相互碰撞，發生聚變。由於恆星質量很大，聚變產生的能量與恆星萬有引力抗衡，以維持恆星結構的穩定。由於氫原子核的聚變產生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結構，生成鋰元素。如此類推，按照元素週期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恆星便會坍塌。這是由於鐵元素相當穩定，參與聚變時釋放的能量小於所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在於恆星內部，導致恆星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡，從而引發恆星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因為它產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大於太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恆星演化而來的。



當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小於史瓦西半徑），質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

吸積

黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時，它們產生的輻射對黑洞的自轉以是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期，當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天，恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂，進而透過吸積周圍氣體而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恆星周圍透過氣體和岩石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還透過霍金蒸發過程向外輻射粒子。[5]



黑洞拉伸，撕裂併吞噬恆星

蒸發

由於黑洞的密度極大，根據公式我們可以知道密度=質量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然後質量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恆星“滅亡”後所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應”的現象，即一個粒子的場強分佈雖然儘可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，場強仍會有分佈，對於黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。

霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱；小黑洞的溫度高蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。相當於一個太陽質量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發殆盡；相當於一顆小行星質量的黑洞會在1x10^-21秒內蒸發得乾乾淨淨。[1]

毀滅

黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸，會噴射物體，發出耀眼的光芒。當英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金於1974年做此預言時，整個科學界為之震動。

霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結合了廣義相對論和量子理論，他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質量。



恆星被黑洞吞噬

假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生，被創生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生：兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。“一個粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由於能量不能憑空創生，我們設反粒子攜帶負能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞裡來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會導致質量的損失。

當黑洞的質量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。

表現形式 聽語音

據英國媒體報道，一項新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉變為白洞的方式進行的。理論上來說，白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質，而白洞則不斷向外噴射物質。 這一發現最早是由英國某雜誌網站報道的，其理論依據是晦澀的量子引力理論。[6]



引力強大的黑洞。

恆星的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有恆星情況下的路徑不一樣。光在恆星表面附近稍微向內偏折，在日食時觀察遠處恆星發出的光線，可以看到這種偏折現象。當該恆星向內坍塌時，其質量導致的時空扭曲變得很強，光線向內偏折得也更強，從而使得光線從恆星逃逸變得更為困難。對於在遠處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最後，當這恆星收縮到某一臨界半徑（史瓦西半徑）時，其質量導致時空扭曲變得如此之強，使得光向內偏折得也如此之強，以至於光線再也逃逸不出去 。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區域，光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者，這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。

在地球上，由於引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恆星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會透過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。

 共35張

黑洞圖片

更有趣的是，有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的“臉”，還同時看到它的“側面”、甚至“後背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應。

這張紅外波段影象拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位，所有銀河系的恆星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質量黑洞公轉。 據美國太空網報道，一項新的研究顯示，宇宙中最大質量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學家原先的估計更早，並且仍在加速成長。



一個來自以色列特拉維夫大學的天文學家小組發現，宇宙中最大質量黑洞的首次快速成長期出現在宇宙年齡約為12億年時，而非之前認為的20~40億年。天文學家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。

同時，這項研究還發現宇宙中最古老、質量最大的黑洞同樣具有非常快速的成長。有關這一發現的詳細情況發表在《天體物理學報》雜誌上。

如果黑洞足夠大，宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大，這種吸引力拖著他無情地向下落，重力差會迅速加大而將他撕裂（拉伸線），最終他的遺體會被分解而落入黑洞那無限緻密核心。

普金斯基和他的兩個學生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利，加上該校的另一位弦理論學家唐納德·馬洛夫一起，對這一事件進行了重新計算。根據他們的計算，卻呈現出完全不同的另一番場景：量子效應會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦，任何東西掉進去都會撞到一面火焰牆上而被瞬間烤焦。

美國宇航局有關一個超大質量黑洞及其周圍物質盤，炙熱的物質團（一個呈粉紅色，一個呈黃色）每一個的體積都與太陽相當，環繞距離黑洞較近的軌道執行。科學家認為所有大型星系中心都存在超大質量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為“活躍星系核”的物質。由於被明亮並且溫度極高的下落物質盤環繞，黑洞的質量很難確定。根據刊登在《自然》雜誌上的一篇研究論文，基於對繞黑洞執行物質旋轉速度的計算結果，37個已知星系中心黑洞的質量實際上低於此前的預計。[7]

黑洞並不存在？ 聽語音

相關論文分別發表在著名的預印本網站ArXiv和《物理快報B》雜誌上。

“得出這個結論後，即便我本人都感到十分震撼。”提出這一理論的美國北卡羅來納大學教堂山分校理論物理學教授勞拉·梅爾西尼—霍頓這樣描述自己的感受。她說：“科學家們研究這個問題已經超過了50年，而這個解決方案給了我們許多新的思考。”



1974年，霍金透過量子力學的方法得出結論：黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質，同樣也能以熱輻射的方式向外“吐出”物質。而這種量子力學現象，就被稱為霍金輻射。

物理學家組織網2014年9月25日（臺北時間）報道稱，新研究中梅爾西尼—霍頓描述了一種全新的方案。她和霍金都同意，當恆星因自身的引力發生坍塌時會產生霍金輻射。但梅爾西尼—霍頓認為，發出這種輻射後，恆星的質量也會不斷地發生損失。正因為如此，當這些恆星坍縮時就不可能達到形成黑洞所必須的質量密度。她認為，垂死的恆星在發生最後一次膨脹後，就會爆炸，然後消亡，奇點永遠不會形成，黑洞視界也不會出現。根本就不會存在像黑洞這樣的東西。

其實早在今年年初，霍金就曾透過論文指出在經典理論中黑洞是不存在的，他承認自己最初有關視界的認識是有缺陷的，並提出了新的“灰洞”理論。該理論認為，物質和能量在被黑洞困住一段時間以後，又會被重新釋放到宇宙中。

黑洞這一定義在經過漫長的時間推測後，已經慢慢被人們所接受。然而霍金今年年初發文否認黑洞的存在，取而代之提出了“灰洞”理論，這在物理學界掀起了不小的波瀾。如今，梅爾西尼—霍頓直截了當地稱“根本就不會存在像黑洞這樣的東西”，這無疑成為又一枚重磅炸彈——儘管梅爾西尼—霍頓遠不及霍金出名。當然，想以一己之力推翻既有的理論並不那麼容易，需要更多有說服力的證據加以佐證。[8]

分類特點 聽語音

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，可以將黑洞分為五類。

不旋轉不帶電荷的黑洞：它的時空結構於1916年由史瓦西求出，稱史瓦西黑洞。

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

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。







（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，s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。內視界以裡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。

大型黑洞

巨型黑洞

宇宙中大部分星系，包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一，大約99萬～400億個太陽質量。天文學家們透過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射和熱量[2]推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質加熱到極高的溫度，從而發出強烈輻射。黑洞透過吸積方式吞噬周圍物質，這可能就是它的成長方式[9]。



這項最新的研究採用了全世界最先進的地基觀測設施，包括位於美國夏威夷莫納克亞山頂，海拔4000多米處的北雙子座望遠鏡，位於智利帕拉那山的南雙子座望遠鏡，以及位於美國新墨西哥州聖阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠鏡。

觀測結果顯示，出現在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞，其質量要比稍後出現的大部分大質量黑洞質量小9/10。但是它們的成長速度非常快，因而它們的質量要比後者大得多。透過對這種成長速度的測算，研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之後的發展路徑。

該研究小組發現，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年齡僅為數億年時便開始進入全面成長期的黑洞，它們的質量僅為太陽的99到2000倍。研究人員認為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恆星有關。

天文學家們還注意到，在最初的12億年後，這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續了2億到4億年。

這項研究是一個已持續9年的研究計劃的成果。特拉維夫大學主持的這項研究旨在追蹤研究宇宙中最大質量黑洞的演化，並觀察它們對宿主星系產生的影響。

發現“超大”黑洞

2015年3月1日，北京大學吳學兵教授等人在一個發光類星體裡發現了一片質量為太陽120億倍的黑洞，並且該星體早在宇宙形成的早期就已經存在。科學家稱，如此巨大的黑洞的形成無法用現有黑洞理論解釋。

該發現對2014年之前的宇宙形成理論帶出了挑戰。至2015年的宇宙理論認為，黑洞及其宿主星系的發展形態基本上是亙古不變的。

德國麥克斯普蘭喀天文機構的研究員布拉姆·維尼曼斯（BramVenemans）說道，最新發現的黑洞體量相當於太陽的400億倍，科學家編號為S5 0014+81，比先前發現的同時期黑洞的總和還大出一倍。而在銀河系的中央潛伏的黑洞比太陽大20倍-500萬倍。[10]

探索歷史 聽語音

1970年，美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1，位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球，該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞，它就是人類發現的第一個黑洞。

1928年，薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡到英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士（一位廣義相對論家）學習。錢德拉塞卡意識到，不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恆星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味著，恆星變得足夠緊緻之時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出；一個大約為太陽質量一倍半的冷的恆星不能支援自身以抵抗自己的引力。（這質量稱為錢德拉塞卡極限）前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也發現了類似的結論。

如果一顆恆星的質量比錢德拉塞卡極限小，它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支援的。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恆星——天狼星轉動的那一顆。

蘭道指出，對於恆星還存在另一可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恆星是由中子和質子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力所支援。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時，並沒有任何方法去觀察它，很久以後它們才被觀察到。

黑洞是科學家們一直要找卻沒有找到的單極磁體。這可能讓很多科學家感到意外，但黑洞真的是單極磁體，它和一般的雙極磁體不一樣，當然了它的磁場運作方式也不一樣。因此也就無所謂黑洞會不會束縛磁場的問題了，黑洞本身就產生磁場。也後我會告訴大家這個磁場的本質和來源，這已經快觸及到宇宙的偉大秘密了。要想知道進一步的真相，吾會選個時機來揭開它那朦朧而神奇的面紗的。