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科学简介1（第3页）

4探索历史

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1970年，美国的“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座x－1，位于天鹅座x－1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球，该星球被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，它就是人类发现的第一个黑洞。

1928年，萨拉玛尼安·钱德拉塞卡到英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量称为钱德拉塞卡极限）前苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也发现了类似的结论。

如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它，很久以后它们才被观察到。

宇宙十大奇异黑洞现象

宇宙十大奇异黑洞现象（10张）

另一方面，质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩，不管恒星有多大，这总会发生。爱丁顿拒绝相信钱德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

钱德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢。这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。

1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触。在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为lgm1－4，lgm表示“小绿人”（“an”）的意思。最终他们和所有其他人的结论是这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于在黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。

1983年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们称为黑洞的物体。[9]

事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理不严谨。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响。）在1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论，之后这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，因为在相对论中没有绝对时间，所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

黑洞吞噬中子星

但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂!然而，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

罗杰·彭罗斯在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

物理学年表

1640年–法国天文学家布利奥（ismaelbullialdus）建议万有引力的大小与距离平方成反比。

1684年－牛顿导出了平方反比的万有引力定律。

1758年－拉古萨共和国（现今克罗地亚南部的港市杜布罗夫尼克）的vich发展出自己的力学理论，在短距离内万有引力会互斥。依据他这奇特的理论，可能存在类似白洞的物体，能使其他的物体不能接近它的表面。

1784年–英国的自然哲学家ichell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。

1795年–法国的数学与天文学家拉普拉斯亦论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。

1798年–英国的物理学家亨利·卡文迪什测量万有引力常数常数g。

1876年–英国的数学与科学哲学家威廉·金顿·克利福德建议物体的运动可能源自于空间上的几何变化。

1909年－爱因斯坦和葛罗斯曼开始发展束缚度量张量的理论gik，用以定义与质量有关，源自的万有引力空间几何。

1910年－汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦定义了莱纳－诺德斯德伦奇点，赫尔曼·魏尔解出特解为一个点。

1916年－卡尔·史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程。

1917年－保罗·埃伦费斯特给初三度空间的条件原则。

1918年－汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦解出球面对称且不转动的荷电系统的爱因斯坦－麦克斯韦场方程。

1963年－克尔解出不带电对称旋转体在真空的爱因斯坦场方程，并导出克尔度规

1964年－罗杰·彭罗斯证明一颗内爆的恒星一旦形成事件视界就必然会成为奇点。

1965年－艾兹·t.·纽曼、e.考契（couch）、apared、、a.prakash、和解出带电并旋转系统的爱因斯坦－麦克斯韦场方程。

1967年–在英国伦敦国王学院的以斯列证明了无发理论。约翰·惠勒提出"黑洞"这个名词。

1968年－布兰登·卡特应用汉米顿－贾可比方程导出带电的亚原子粒子在克尔－纽曼黑洞场外的一阶运动方程。

1969年－罗杰·彭罗斯论述由克尔黑洞题取自旋能量的罗杰—彭罗斯过程。罗杰·彭罗斯提出宇宙审查假说。

1971年–确认天鹅座x－1hde226868是一个双星的黑洞系统候选者。

1972年－史蒂芬·霍金证明，经典黑洞的视界事件区域不可能减少。詹姆斯·巴丁、布兰登·卡特、和史蒂芬·霍金提出等同于热力学定律的黑洞第四定律。雅各·柏肯斯坦建议黑洞也有熵，就是事件视界的面积。

1974年－史蒂芬·霍金将量子场论运用于黑洞时空，并证明黑洞会像黑体一样辐射出光谱而导致黑洞的蒸发。

1989年–证明天鹅座的gs2023+338v404是一个双星黑洞系统的候选者。

1996年－安蒂·斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵，得到与史蒂芬·霍金和雅各·柏肯斯坦相同的结果。

2002年－马克斯普郎克外太空物理学院的天文学家提出的证据假设银河系的中心人马座a*是个超重质量黑洞。美国国家航空航天局的昌德拉x－射线天文台的观测，怀疑在ngc6240内的黑洞是由星系吞噬产生的。

2004年–在量子力学和弦论上的计算，都认为讯息可以自黑洞溢出。源自弦论的黑洞模型对奇点的想法抱持怀疑。参见fuzzballs。加州大学洛杉矶分校进一步的观测证据，强烈的支持人马座a是一个黑洞。

黑洞并不仅仅是在宇宙空间吞噬气体，如果形成黑洞的恒星处于快速旋转，那么这个黑洞也会持续旋转。相比静止状态的黑洞，旋转黑洞能够更好地控制环绕其周围的宇宙物质盘。

星系中心的超大质量黑洞不再是“无色的”

这个快速旋转的黑洞叫做grs1915+105，大约每秒旋转1000次。这几乎是黑洞旋转的最快速度，这一速度是快速旋转恒星崩溃之前测定的。

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