黑洞视界（上）15

本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第15篇

--本文较长，预计阅读6min--

这一节我们再谈谈——黑洞。

迄今为止，NASA已经为人类发布了2个黑洞的真实照片。

第一张黑洞照片是由事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）拍摄的距离地球5500万光年的M87*黑洞的照片（M87黑洞照片）。

在2017年4月该计划开始，经过大约5个夜晚的观测，产生了4PB的数据，经过两年多的后续工作，在2019年4月10日21点整召开的全球新闻发布会发布了黑洞照片。

第二张是，2022年5月12日，发布了银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）的首张照片。

01 “黑洞”的基本概念

黑洞这么大的引力是从哪里来的？

一般人会说，按照万有引力定律，质量越大吸引力就越大，那么质量大到一定程度，天体就成了黑洞。这种说法不太对，光质量大不行，还要体积特别小，这样才能成为黑洞。

星云质量多大啊，但它体积更大，所以一点都不黑。

简而言之，如果天体的质量很大，同时半径又特别小，也就是说天体的质量密度大到一定程度，就会变成黑洞。黑洞就是一个质量密度极大的天体。地球为啥不是黑洞，因为体积太大了；

以地球目前的质量，如果地球能缩成一粒葡萄，那地球就成了一个黑洞——黑葡萄。

地球为何不内缩呢？

当然，幸好没有内缩，否则我们人类的生存空间就太拥挤了。按理说，地球是应该内缩的，因为万有引力，地球中的物质互相吸引，越吸不就越紧密，越紧密不就越缩小吗？

读到这里，有人可能会说，地球硬得很，怎么能内缩？

没错，问题是啥叫“硬得很”？这不是科学的语言。让你感觉硬的力是电磁力，它在抵抗万有引力内缩的趋势。

原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，所以两个原子之间会形成强大的排斥力，不可能挨得很近。这就阻止了地球进一步内缩的努力。

那太阳总可以内缩吧，它是气态的，一点儿也不硬，原子和原子之间距离远着呢，电磁力发挥不了多少作用。但实际上太阳也不内缩，因为其内部的核反应产生了巨大的外向力，抗拒了企图内缩的引力。

02 黑洞的诞生：恒星演化

那黑洞是如何诞生的呢？这就不得不说到恒星的演化。其实，恒星诞生于巨大的星云。

我们知道，星云中的物质非常稀薄，但在万有引力的作用下，一直聚到一定程度，就成了原恒星。

原恒星，就当是婴儿期的恒星。这个婴儿期的恒星还是不够瓷实，所以继续向中心收缩。越收缩，原恒星中的温度就越高，高到一千万度，核聚变就发生了。

核聚变辐射出的巨大能量使得恒星内部的压力足以抗衡万有引力的内缩趋势，于是婴儿期的恒星就算是稳定了，长大了。这时候，我们就把它称为主序星，它就是恒星的青壮年。

我们的太阳就处于主序星阶段，它每天发光发热，普照大地，哪里来的这么多能量？它每天都在进行核聚变，将两个H聚变成一个氦，这就是氢弹的原理。

所以，我们一般人是没有亲眼见过原子弹爆炸，但要说没见过氢弹爆炸则不可能。烈日当空，举头望之，便是氢弹爆炸。

氢弹为何那么厉害？这两个H聚变成一个氦的过程中，一部分质量消失了，变成啥了？变成了能量。多大的能量？大家都知道公式E＝MC2，C是啥？光速，30万千米/秒。也就是一个单位的质量能变成三十万平方倍的能量，氢弹焉能不毁灭一切？

好，话说回来，继续说恒星演化。太阳在恒星中算是个菜鸟，我这会儿没工夫说它，下面说的都是大个头恒星。

这恒星天天核聚变，两个H聚变成一个氦，有朝一日没有H了，都成氦了，那核聚变反应就停止了。那就没有力量抵抗内缩的引力，于是恒星的外壳开始坍缩。但在坍缩中，恒星内部的温度会进一步升高，当达到一亿摄氏度时，氦又可以进行核聚变了，三个氦原子可以聚变成一个碳原子。以此类推，这些聚变反应会生成越来越重的元素；当聚变到铁时，就出问题了。

铁这个东西很怪，别的元素聚合是要释放能量的，可铁进行核聚变反而要吸收能量；铁，你很“铁”啊，铁公鸡，一毛不拔，还真是这个道理。

这样就意味着恒星要灭亡了，因为不再能产生能量来抗拒万有引力，恒星会突然坍缩，外部气体会在万有引力作用下，以接近光速砸向内核，从而产生巨大爆炸，这就是超新星爆发。

超新星大爆发，就像是恒星死亡前的回光返照，短暂的红光满面、光耀宇宙后，最终还要归于沉寂。那恒星的归宿是什么呢？

当恒星进入超新星爆炸的时候，其外壳就向外爆发了，而其内部在引力的作用下，开始急剧内缩。用心的读者肯定会说，缩到一定程度，原子之间距离很近了，那电磁力就应该起作用了啊？

本来应该是这样，但我们这里说的是大个头恒星，质量特别大，所以内缩力特别厉害，厉害到能把电子压进原子核，直接和质子结合，干脆就变成中子了。

等于恒星到最后就没有电子和质子，都变成中子了，哪里还有电磁力？内缩到这种程度的星体就是中子星。

中子星的密度非常高，地球要达到这样的密度，必须要缩小到直径22米。因此中子星的引力是很惊人的，但依然达不到黑洞的级别，光还是能够出来的。刚才说地球要缩到葡萄那么大才能成黑洞，哪有22米直径的葡萄，难道是转基因的？

有人已经反应过来了，如果中子星继续内缩就可以成为黑洞。不错，但前提是，这个恒星的质量要特别特别大，大到其引力所造成的内缩力能将中子都压碎，最后将这个恒星半径缩小到史瓦西半径，就成为一个黑洞。从此，光都出不来了。

史瓦西半径？啥东西？别急，下一讲再谈！

简而言之，黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应燃料耗尽死亡后，发生引力坍缩而产生的。

好，今天就先这样，下一节接着聊~

Masir 2022/08/04

祝 愉快~

参考文献 

[1]《时空简史》

[2] 《决定论or随机论》

图片来自网络

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