黑洞到底是什么

黑洞到底是什么

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可能很多人一提到黑洞就会想到一个纯黑色的洞，其实并不是这样的，黑洞并不是一个洞当然也不是黑色的，吸进黑洞中的物质也并非完全不能返回。
现在我们用爱因斯坦的相对论和闵可夫斯基的绝对时空概念来解释一下黑洞。首先来说明黑洞的一般概念：
如果我们将大量的物质集中于时空中的一点，周围就会产生一些奇异的现象，在这些物质集中的一点就会产生一个界面的“视界”，一旦进入这个视界，就连光都无法逃脱，那么就称这个质点为黑洞。即黑洞就是时空的曲卷率大到连光都无法从其视界中逃逸的天体。

我们想象中的“黑洞”
在开始之前，我们先一点点的了解一下关于黑洞的历史，可以分为以下几个阶段：
最开始关于黑洞的认识：关于这个理论最早可以追溯到18世纪，一个叫 John Michell 的牧师，他首先把光速和牛顿逃逸速度结合起来，设计出了一个很有意思的天体模型。
关于这个模型，如果我们站在地球上向上抛一块石头，无论力气再大，石头还是会落回地面，此刻我们假设，如果有一个足够快的速度把它抛上去，如果能摆脱地球引力的束缚，那这个速度就称为逃逸速度，对我们地球而言，忽略空气阻力，逃逸速度是11.2km/s，也就是第二宇宙速度。逃逸速度和星体的质量有关，星体的质量越大需要的逃逸速度就会越大。
所以到后面，就有了这样一个假设，如果一个星体的质量极其大，大到需要比光速更快的逃逸速度，于是就有了最开始的关于黑洞的概念——连光都无法逃出来的天体。
但由于这个概念在当时太恐怖了，不能被教会所接受，于是就没有了后续的研究。

爱因斯坦在1905年提出狭义相对论
后来的转机便是爱因斯坦相对论的出现，1905年，爱因斯坦在独自研究时，他抛弃了自牛顿以来所构建的绝对时空和时间的概念，他重新建立起了一套相对观念。在经典的牛顿物理学中物理学家认为，空间、时间、质量是绝对的，而光速是相对的，而爱因斯坦反其道而行之，他觉得只有光速是绝对的，而剩下其他的都是相对的。于是狭义相对论诞生了。
狭义相对论有两个基本原理：
其一，光速不变原理。
其二，相对性原理。物理学中一切运动都必须遵从同样的视点所处的运动状态。
在上面这些基本的条件下，我们再分析时间和空间，就能够得出让人吃惊的结论。物体的运动速度越快，它的长度就会越长，时间就会越慢，质量就会越大，即钟慢和尺缩效应。但这似乎还不足以完全解决黑洞的问题，关于时空和引力才是关键。
在1908年闵可夫斯基发现了一个重要的理论，关于四维时空的绝对性理论，其实说白了就是借助数学的方法来解释狭义相对论。但可惜的是当时爱因斯坦并没有意识到这一点，相反他觉得用数学的方式去解释显得更加繁琐，甚至去嘲笑这个公式。

j近日点轨道的偏移
紧接着就是爱因斯坦第二次走向辉煌的时刻了，关于水星近日点的问题。
按照开普勒描述的椭圆轨道，水星应该顺着它的椭圆轨道绕太阳运行，进过几百年的观测，水星每沿轨道环绕一圈后，都不会回到原来的位置，会有一点点的偏移，这是水星在近日点上的移动。这个移动有1.38弧秒，牛顿的经典引力时空观可以解释其中的1.28弧秒，那是木星以及其他行星对水星产生的作用效果，至于剩下的0.1弧秒没有任何的解释方法。
在随后的研究中，爱因斯坦建立了一个等效原理。
关于等效原理，我们可以做一个简单的假设
在地球上和在一个以重力g为加速度加速飞行的火箭上同时抛一个小球，则小球运动状态完全等效，这就是简单的等效原理。
随后，爱因斯坦紧接着又提出了更加惊人的理论，就是关于引力引发时间膨胀。在1912年爱因斯坦终于意识到数学方法的重要性，并接受了闵可夫斯基的绝对时空观，在此理论的基础上，他就解释了新的理论中的时空弯曲，在离地球近的时空，弯曲的曲率比较大，越远则越小。

星体的质量会对周围时空产生影响
在此后的三年里，爱因斯坦终于借助数学的方法，尤其是黎曼几何，用来解释他的新理论，经过计算，在1915年，广义相对论诞生。
现在我们我们就用广义相对论来解释一下黑洞：
首先引力并不是我们平时所理解的力，引力的本质是时空弯曲，也可以这么说，地球并没有拉着或者吸引着我们，而是我们的时空被地球所产生的引力所弯曲、扭转。所以在这里就需要用新的几何来计算时空弯曲的状况，从而知道该怎样扭曲才能使光不会跑出来。
在1916年，德国科学家史瓦西（Karl Schwarzschild）历史性的第一个计算出爱因斯坦方程的解，并建立了史瓦西几何。他分析了完全没有旋转的星体，并得到了任何无旋转的星体的时空曲率。他还说明了，每一个星体都存在一个依赖星体质量的临街周长，如果任何星体减少到这个临界周长，就可以形成黑洞。

用时空弯曲来解释黑洞但在这里所说的黑洞并不是光无法逃逸出来，而是引力非常大，可以让星体表面的时空发生强烈的弯曲，以至于时间在那里好像就如同停止了一样，所以，时空弯曲才是黑洞形成的本质，而时空弯曲的本质则是引力，这样有一个继承的关系，用时空弯曲来描述黑洞更加的准确。