(本文原來是以
Traveler (旅行者) 的名義於 2002/7/15 發表在 BBS 天文版 上)
(原來的標題是《Re: 討論黑洞的同學們》)
(以下的文章已重新作過些微的調整)
個人提出一些跟黑洞有關的淺見，若有謬誤，請多指教。
一、我們討論東西（事情）一定要有一些共同的基礎，討論才會有意義。
討論物理，我們通常認為（假設）某些基本的物理原理是普適於全宇宙的，
所以，如果因為沒有人去過，就可以任意猜想，而不考慮已知的物理定律，那就不是在討論物理而是在討論科幻了。
（雖然我對科幻也很有興趣，誰知道今日的幻想會不會變成明日的事實呢 ）
二、如果想瞭解黑洞，雖不需修過廣義相對論，但絕對需要一些物理的知識，因為這是我們討論這件事情的基礎。
第一部份：物質的構成
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/
大家應該都知道，物質是由原子構成的，而原子裡有原子核和在其週邊環繞的電子雲。
為了便於想像，我們把電子雲用一個中空的玻璃圓球來取代。所以，原子就變成一個玻璃圓球中有一個原子核。
提醒大家一下，原子核的直徑只有原子的萬分之一。
玻璃圓球不要想的太厚，薄薄一層就好了，但是原子中的電子越多，玻璃圓球要越厚，也代表它越堅固。
另外，質子和中子也用中空的玻璃圓球來想像。並假設在質子和中子的內部，沒有其它的玻璃球了。
亦即我們假設，夸克是沒有體積的。
註：如果夸克是有體積的，那麼後面有關『恆星的死亡』的敘述就需要作一些修正了。
第二部份：重力（萬有引力）
有質量的東西就會產生重力：質量越大，重力越大。
重力會隨著距離而改變：距離越遠，重力越小。
對於一般的星球（不包含黑洞），星球表面的重力是最強的，星球中心的重力為零。
註：這好像是高中物理，之前版上也有人討論過。
第三部分：脫離速度
http://members.tripod.com/~YTYRaymond/Universe/subjects/escapeV.htm
所有被投上天空的物體，都會被地球的重力吸回地面，因此物體的上升速度會逐漸減慢。
到了某些高度就不會再上昇，停了一瞬間後開始向下掉落，最後以開始上昇的速度（初速）撞上地面。
當物體越離開地球的時候，地球的重力會越減弱。
物體上昇的速度非常快的話，會到達其速度變慢的程度和重力變弱的程度產生平衡的地點。
運動能量剩下一半的時候，重力也只剩下一半。
到了這個時候，剩下的一半運動能量消耗殆盡所需要的時間會比前階段長了很多。
運動能量會繼續消耗，但是隨著重力的衰減，速度變慢的比例會降低。在這種場合，上昇中物體的速度絕不會變為零。
上昇中的物體不一定會掉下來，繼續上昇而終於脫離地球的引力範圍，永遠地離開地球。
能達到這種程度的最小速度就是「脫離速度」。
上面的網頁上有各行星的表面脫離速度。地球的表面脫離速度為 11.23 km/s。
第四部份：廣義相對論
http://hometown.aol.com/lklstars2/4d.htm
什麼！還是要提廣義相對論！
其實這邊我們只需要知道『重力越大，時間過的越慢』
想知道詳細的資料可以參看以上的網頁。
強調一下：所謂『時間過的越慢』是對遠處的觀察者來說的
三、甚麼是黑洞？
http://www.cc.nctu.edu.tw/~tseng327/nctu-cosmos/mid-term/nctu4/2.htm
http://www.tacocity.com.tw/ckac/newread1.htm
第一部份：恆星的死亡
當一顆恆星的氫氣燃燒殆盡，核融合所提供的張力不足以抵銷重力場致命的吸引力，蜜月期宣告結束！
於是星球繼續其內陷的不歸路。
內縮停止的原因是電子的簡併力（電子雲的那個玻璃球）。
但是如果星球的質量更大，便可以把核融合的反應，進行到最穩定的鐵、鈷、鎳等元素。
註：核融合就是個別原子外層的那個玻璃球被壓破，兩個原子核合在一起，
然後它們原來的電子合起來形成新的電子雲 －－ 新的玻璃球。
如果星球核心質量小於太陽的 1.5 倍，電子簡併力便足於叫停核反應，使星球步上白矮星的後塵。
反之，巨大的壓力將使得電子雲的那個玻璃球無法形成，而成為中子星。
此時，原子的結構已經不存在了，質子和電子合在一起成為中子。
如果中子星的質量小於太陽的３倍，則中子的簡併力便足以扺抗重力的壓擠，使中子星穩定地存在。
反之，重力會主控一切，中子核心便會跨過「地平線」，萬劫不復，形成黑洞。
註一：這邊只討論由星球演化所產生的黑洞。
其他可能還存在不是由星球演化所產生的黑洞。
但是關於黑洞的一些性質是相同的。
註二：2002/4 發現可能存在夸克星。
http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=664
http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/ap020414.html
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%B8%E5%85%8B%E6%98%9F
第二部分：重力崩潰
當中子星的質量大於太陽的３倍時，中子的那個玻璃球已經無法抵抗中子星所產生的重力，而造成重力崩潰。
註：重力崩潰是由中子星的內部先發生的，再擴展至星球的其它部分。
還記得我們假設在中子的內部，已經沒有其它的玻璃球了。
這就表示，已經沒有任何力量可以阻止中子中的夸克往星球的中心墜落。
概念上，這些夸克會聚縮為一個點，也就是我們常聽到的奇異點。
奇異點的大小就只是一個數學上定義的點，它沒有體積，沒有大小，可是它有質量，
所以它的密度是無限大，它的重力也是無限大 －－ 這也就是為什麼它叫作“奇異點”了。
但是，實際上，在有限的時間之內，這些夸克決不會聚縮為一個點！（請注意，１３７億年仍是限的時間！）
為什麼呢？因為『廣義相對論』告訴我們『重力越大，時間過的越慢』！
當這些夸克往星球的中心墜落時，重力會越來越大，這些夸克所經歷的時間會越來越慢！
所以，『重力崩潰』就是這些夸克永無休止地往星球的中心墜落！
同樣的，這段的敘述也是以遠處的觀察者來說的。
第三部分：事象地平面（也有譯作『事象視界』）
我們先假設在宇宙的某個地方已經存在一個奇異點了。
不管這個奇異點的質量是大是小（一定不為零），在這個奇異點的位置，重力一定是無限大，脫離速度也是無限大。
現在慢慢地把和奇異點之間的距離拉遠。
根據萬有引力定律，距離越遠，重力越小。重力越小，所需要的脫離速度也越小。
由此，我們可以找到一些位置，它們的脫離速度等於光速。
這些位置會構成一個封閉的曲面，這個曲面我們稱為『事象地平面』。
換句話說，在這個曲面以內的脫離速度大於光速。
根據狹義相對論，沒有東西的速度可以大於光速，所以沒有任何在事象地平面以內的東西或訊息可以跑出來。
註一：我們之所以稱它為『事象地平面』，是因為在地球上，超過『地平線』的東西，我們是看不到的。
註二：一般我們所說的黑洞的大小（或形狀）都是指它事象地平面的大小（或形狀）。
註三：黑洞之所以叫作“黑”洞，就是因為沒有任何在事象地平面以內的東西或訊息可以跑出來。
沒有東西或訊息可以跑出來即代表了我們無法“直接”觀測到黑洞。
可是我們可以藉由觀測黑洞和其週圍空間或物體的交互作用來發現黑洞，例如：重力的作用。
(暫不考慮黑洞的蒸發)
註四：黑洞，如果不是由星球的演化所產生的，質量可以不大。相對的它的體積也可以很小。
註五：“白洞”與“蟲洞”目前純粹屬於理論(想像)的階段。尚無任何的實驗或觀測能支持這些想像。
註六：這是一篇科普文，有很多的敘述是不正確的。
例如：在重力極強的情況下，『萬有引力』的公式會失效，而需要以『廣義相對論』的公式來取代。
但是，我認為細究這些，對於一般想要瞭解黑洞的人來說幫助可能不大。
我認為，想知道飛機為什麼會飛，未必需要會計算流體力學。
我們可以以不精確，或是以定性而非定量的方式，透過簡單的說明或實驗，
讓別人瞭解到科學的現象，進而對科學產生興趣，我覺得這是一件美好的事情。
四、其他的參考網頁
1. 為什麼不能從黑洞脫離？
2. http://www.tacocity.com.tw/ckac/newread1.htm
這個網頁除了介紹黑洞的形成之外，還解釋了像“潮汐力”、“重力透鏡”、
“重力藍位移（紅位移）”、“時間變慢”、“黑洞蒸發”、“白洞”與“蟲洞”等名詞。
|
回首頁 回目錄
Traveler 