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01 黑洞是什么 What Is a Black Hole(第5页)

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米歇尔和拉普拉斯无法猜到的是,这种庞大的质量累积将会不稳定并坍缩。

而且在它们坍缩的过程中,它们会刺穿空间和时间的结构并产生奇点。

因此“黑洞”

不是“暗星”

,而要继续讨论下去并接触关于黑洞的天文发现,我们首先需要了解时空的本质。

时空

我们的日常经验让我们对有形宇宙可以通过一个时间坐标t和三个空间坐标[例如沿着三个相互垂直的轴x、y和z。

这是由勒内·笛卡尔(Rees)发明的概念,并被称为笛卡尔坐标]。

1905年,爱因斯坦发表了他关于狭义相对论的革命性论文,阐述了运动和静止的相对性。

1907年,赫尔曼·闵可夫斯基(HermannMinkowski)阐述了如何借助四维时空来更深入地理解这些结果。

四维时空中由四维坐标(t、x、y、z)所确定的点对应着“事件”

这个事件是在特定时间(t)和特定地点(x、y、z)所发生的事情。

所谓的闵可夫斯基时空的这种四维坐标,精确地指明了事件会在什么时间什么地点发生。

爱因斯坦的狭义相对论可以用闵可夫斯基时空来表述,并为相对运动的不同参照系中的物理过程提供了一种方便的描述方法。

“参考系”

仅仅是某个特定观察者所拥有的视角。

爱因斯坦称这种理论为“狭义”

,是因为它只涉及一个特定的情况,也就是无加速的参考系(称为惯性坐标系或参照系)。

狭义理论只能应用于匀速运动的非加速参考系。

如果你扔下一块石头,它会加速落向地面。

附在石头上的参考系是一个加速的参考系,因而不能用爱因斯坦的狭义理论来处理。

你在有引力的地方就会有加速度。

这个缺点促使爱因斯坦在他的狭义理论发表10年后提出了一个广义相对论。

他发现,虽然笛卡尔空间和闵可夫斯基时空是物体“生活、移动和存在”

于其中的刚性框架,但时空实际上是一个敏感的实体:它可能会因质量的存在而弯曲或变形。

一旦质量存在于物理情境中,描述了现实的行为就会不可分割地互相联系起来。

这被约翰·惠勒(JohnWheeler)简练地总结为:

·物质作用于时空,告诉它如何弯曲。

·时空作用于物质,告诉它如何移动。

这种特性是由广义相对论中的爱因斯坦场方程所量化的,该方程将时空曲率与引力场联系了起来。

物理学家谈论大质量物体周围的引力势阱。

图2所示的漫画显示了时空在一对黑洞附近是如何变形的,其中每个区域的弯曲方式都可以被认为是与其质量也就是与引力本身直接相关。

时空中的奇点可以被认为是时空中的曲率变得非常高,而使你超越了经典引力体系,进入了量子体系的地方。

奇点周围的事件视界起到了单向膜的作用:粒子和光子可以从外部宇宙进入黑洞,但没有任何东西可以从黑洞的视界内逃逸到外部宇宙。

事实上,质量并不是黑洞可能拥有以及被测量的唯一属性。

如果黑洞在旋转,也就是说它具有自旋,那么就会出现更极端的行为。

在研究这个问题之前,我们将稍微绕一下,学习一下如何用示意图来表示时空本身。

图2 时空由于物质的存在而产生的变形,也就是弯曲

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