發信人: "旅行者" <Traveler@Earth.Solar_System.Galaxy>, 看板: astronomy
標  題: Re: 討論黑洞的同學們
發信站: Dept. of Computer Science, Nat'l Tsing Hua  (Mon Jul 15 09:27:40 2002)
轉信站: Lion!news.ntu!news.mcu!news.cs.nthu!not-for-mail
Origin: ljj.cs.nthu.edu.tw

"24個比利" <mkuhigh.bbs@bbs.kimo.com.tw> 撰寫於郵件
news:41Gh0k$a1Q@bbs.kimo.com.tw...
> 請問有多少人是真正修過廣義相對論的?
哇！要討論黑洞，要先修過廣義相對論！太可怕了啦！

> 在討論中我只看到一堆"推測","我想","我猜"
> 感覺這邊跟科幻版沒啥差別..
> 不是說有新的 idea 不好..
> 但是..孔子說, 思而不學則殆
> 光會空想而不去潛心求知
> 對於科學是沒啥助益的
但是這一段我完全附議！

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）要有一些同共基礎，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。
　　　　http://www.scimonth.com.tw/sc_mp_list00_164.htm

　　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。

　　第三部份：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。


三、甚麼是黑洞？
　　http://physinfo.ep.nctu.edu.tw/sections.php?op=viewarticle&artid=16
　　http://007.hkgb.com/b.shtml
　　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，鎳元素（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制
　　控重力的壓擠，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」，永劫不復，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：最近發現可能存在夸克星。
　　　　　http://www.scimonth.com.tw/sc_mp_list00_164.htm

　　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，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，１５０億年仍是限的時間！

　　　　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！

　　第三部分：事象地平面

　　　　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
　　　　　『地平面』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，如：
　　　　　重力的作用。

　　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”目前純粹屬於想像的階段。沒有任何的
　　　　　實驗或觀測能支持這些想像。

　　註六：我個人對於掉入事象地平面，是否可以逃出來這件事的看法
　　　　　與主流的看法有些差異。

　　　　　　　因為脫離速度是定義在只有初速度而無加速度的情況下
　　　　　，所以如果我們乘坐的太空船真的進入了事象地平面，我們
　　　　　應該還是有機會加速逃離的才對。當然前提是，太空船的引
　　　　　擎要很好，能提供夠大的加速度（推力），以及我們還沒有
　　　　　被黑洞巨大的潮汐力把撕碎。

　　　　　　　更進一步，如果我們在黑洞附近有太空站或是人造衛星
　　　　　，我們應該可以拍攝事象地平面以內的狀況，再傳出來。也
　　　　　許不能看到很內部，但是應該可以多看到一些東西。

　　第四部分：其他的參考網頁
　　　　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“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”。