问答

正Q:黑洞是如何形成的?A:我们都知道恒星的质量非常大,大到可以在恒星中心引燃核聚变,而这核聚变又释放出巨大的能量和辐射来抵抗引力对恒星的收缩作用。但核聚变总有耗尽的一天,当恒星内部的聚变燃料全部耗尽时,恒星内部向外辐射的能量就不足以抵抗向内的引力了。这时候引力就会向内压缩。如果这颗恒星比太阳小一些,那么这颗恒星压缩到最后会由于电子的量子排斥效应(就是费米子的泡利     

典型习题中的现代物理知识（第二讲） 黑洞,GM/c2还是2GM/c2?

 上一讲所说引力红移,即频率为v₀的光子从质量为M、半径为R的天体表面发射到无穷远,频率会变为v（v0）,引力为红移: Z=（v₀-v）/v=（1-GM/c²R）^-1-1…（1） 由此可知,一定质量的天体,其半径越小,周围的引力场越强,光的引力红移现象越显著。当R缩到R_g=GM/c²…（2）时,v将变为零（Z→∞）,这意味着光子的动能mc²=hv₀在引力场中全部耗尽（hv₀=GMm/R）;若Rg,光子的动能再也无法满足引力势能增加的需要,这时该天体的引力场就强到了连光子也不能从其表面逃逸的程度。 第五届全国中学生物理竞赛（1988年）决赛中就有一题涉及到这种天体:“有一种超高密度的天体,其巨大引力使得光子也无法逃逸出来,……,这种天体叫黑洞。     

寻找黑洞

恒星在死亡时将发生什么变化？这是天文学上一个非常自然的问题．自从３０年代以来，已经提出了各种理论来回答这一问题。这些理论预言有超新星、白矮星、中子星和黑洞的存在，前两个已是现在比较熟悉的天体了．１９６８年发现了脉冲星，它被证认为比寻常恒星致密得多、引力场强得多的自转中子星．可是大质量恒星在中子星状态也不可能是稳定的，它的末期演化到什么状态？有没有比中子星更致密、引力场更强的天体存在？这些问题都涉及到这些预言中最奇特、最不易理解的黑洞概念． 什么是黑洞呢？简单地说，黑洞就是一个其逃逸速度超过光速的…     

如何计算太阳的寿命

 天体物理学的理论认为,恒星的演化过程可分为如下几个阶段：恒星的诞生（引力收缩阶段）,主序星阶段,红巨星阶段和红巨星以后的演化阶段．现有恒星的９０％以上都正处在主序星阶段,我们的太阳就是一颗主序星．主序星是壮年时期的恒星,在它内部进行着氢聚变为氦的热核反应,反应释放的热能正好和恒星向外部空间的辐射相平衡,因此恒星的温度基本维持不变,此时恒星由于自吸引而收缩的作用和恒星内部的压力相平衡,所以恒星的体积也基本不变,这是恒星一生中最为稳定的时期,也是生命史上历时最长的时期．太阳的寿命理应指它从诞生到死亡的时间长度,一则因为它在主序星阶段时间最长,更重要的是,当它从主序星过渡到红巨星时.     

引力波探测展望

早在1916年，爱因斯坦在发表广义相对论时就预言引力辐射的存在．但在初期，大多数人都怀疑引力波（Gravitational　Waves）仅仅是爱因斯坦提出的引力场方程的一个近似解…而没有实质的物理效应．直到1950年代末期，从理论上证明引力波是携带能量的并可以被探测到，引力波的存在才在理论上得到了充分的确认．广义相对论预言引力波的主要特性有：在真空中以光速传播；     

超新星爆发理论中某些重要的核物理问题

 一、导致恒星不稳定坍缩的主要物理因素一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的热核（燃烧）演化史．一个质量较大的恒星在其演化的一生中将先后经历氢燃烧,氦燃烧,碳燃烧,氖燃烧,氧燃烧以及硅燃烧等热核燃烧阶段．不同质量的恒星经历它所有可能的热核演化之后,通常都要出现较为剧烈的演变．对于质量较低（例如Ｍ＜８Ｍ）的恒星,要经历以前述剧烈热脉冲为特征的ＡＧＢ星阶段,其核心逐渐收缩为白矮星,而星幔和包层则被向外抛射并膨胀成为行星状星云．大质量恒星（Ｍ＞８Ｍ）则要经历更为剧烈的演变过程,例如像Ⅱ型超新星那样的极其猛烈的爆发．     

《从零学相对论》连载25

正§8.7史瓦西时空的最大延拓8.7.1奇点和奇性§8.1末讲过,通常天体的半径R远大于其史瓦西半径rS≡2M,所以史瓦西线元的坐标r的取值范围是Rr∞.恒星之所以处于静态,是因为其内部不断进行着烧氢变氦的核聚变反应(详见小节7.2.1).一旦内部核燃料消耗殆尽,恒星将在自己引力的作用下猛烈坍缩,而如果剩余质量仍超过中子星的质量上限(约为2M⊙),其半径会很快就缩至     

原子核禁戒跃迁决定恒星命运

正每年约有1亿颗恒星诞生,又有同样多的恒星死亡。为了弄清恒星的生命周期,核物理学家与天体物理学家合作揭示了在恒星内部发生的物理过程。质量为太阳质量7—11倍的中等质量恒星,会经过两种不同的路径死亡:热核爆炸或引力坍缩。至于经过哪条路径,决定于恒星内氧核熔合时的状态。研究人员首次测量了氟到氖的稀有核衰变。这是了解中等质量恒星命运的关键。恒星的演化和命运强烈依赖于其诞生时的质量。低质量恒星,如太阳,首先演化成红巨星,     

物理新闻和动态

直接探测到太阳系以外的行星最近美国NASA利用Spitzer空间望远镜第一次直接探测到了太阳系以外的行星.过去对环绕在其他恒星运转的行星的位置是利用该恒星所发射的光的微小变化推断出来的,而现在是利用Spitzer空间望远镜直接记录下行星自身的远红外光波.这些行星,一个是离开我们153光年距离的称为HD209458b星,另一个是离开我们148光年距离的TrSE1星.它们在围绕其恒星运转时的轨道要比水星绕太阳运转的轨道还要靠得近.就因为这个原因,使得其体积如木星大小的这两个行星有足够的热量发出红外光线而使Spitzer空间望远镜能探测到.(云中客摘…     

星系核中的黑洞

黑洞是根据严谨的物理规律预言的一种奇特天体.Laplace在1798年根据牛顿引力理论,Oppenheimer和 Snyder在1939年恨据广义相对论都预言了黑洞的存在.黑洞是可以依不同途径形成的.三十多年来对黑洞的研究工作,主要集中在晚期恒星的引力坍缩这样一条途径上.这样形成的黑洞,其质量只比太阳大几倍.近年来,为了解释有关星团、星系核和类星体的一些现象,讨论过极大质量的天体经引力坍缩形成黑洞的途径.例如,Lynden-Bell等[1,2]基于对类星体空间密度的分析,提出了星系核就是类星体的中心部分引力坍缩后的产物,星系核中具有质量约为108M。的巨大黑…     

艾丁顿（Eddington，Sir Arthur Stanley，1882-1944）英国物理学家（Physicist，England）

艾丁顿儿时是一神童，在剑桥大学以数学好而出名，1904年是全班第一名。从1913年起，是剑桥大学的天文学教授；1914年为剑桥天文台台长。他对天文学的贡献是对恒星内部的理论研究。太阳的密度比地球的低很多，人们有理由认为太阳里里外外都是气体。于是就产生问题：在恒星的巨大引力作用下，什么东西使这气体不收缩成坚实的一小团。     

应该界定黑洞的“最大半径”和“最小半径”

 有关黑洞的习题在近几年的复习资料中经常出现,通过题中给出的一些有关物理量来估算黑洞的“最大半径”。那么什么是黑洞?一颗内部燃烧尽了的大质量恒星由于自身的引力作用,外壳不断向中心坍塌缩小,最后就会形成致密的黑洞。黑洞是宇宙中的实体微粒,它们的体积趋向于零,而密度几乎是无穷大,由于具有强大的引力,物体只要靠近这个微粒,就会被强大的引力吸入,连光也不能幸免。也就是说,没有任何信号能够从黑洞的作用范围内传出,人类无法看到里面的情形---对于观测者来说,那就是漆黑一片---这也是黑洞名字的由来。既然如此,那么衡量黑洞的大小只能用其作用范围(即“视界”)的“半径”来表示。     

《从零学相对论》连载(22)

正8.5.3牛顿引力论对星光偏角的推导[选读]索尔德纳在1801年推导星光偏角公式时,光速的有限性已被证实.只要承认光的微粒说并默认光微粒(即现在的光子)在引力场中的表现与普通质点的唯一不同就是以光速运动,就不难用牛顿引力论推出偏角公式.此式的推导方法很多,现在介绍一种"借他山之石"的简便方法.首先考虑质量为m的普通质点在太阳附近飞过时因受太阳引力而出现的偏角.这种情况与卢瑟福1911年研究的α粒子散射类似,因此可以借用其     

《引力双生子》

我们都知道狭义相对论中的双生子佯谬,以及双生子中旅行者返回后总比他的孪生兄弟要年轻.但在引力场中此结论恰好相反,这个事实大家并不是都清楚。 若你设法静止于恒星表面,你会发现,同你远离恒星相比,静止于恒星表面时,时钟走得要慢.这个现象称为引力时间膨胀,它是爱因斯坦广义相对论.的论断,并且可以通过星光绕过太阳时的弯曲(在日食时观察),而间接观察到引力时间膨胀.若你不是静止而是运动,那么由于你的运动,还将存在一个附加的时钟变慢。 现在,我们设想一个实验,在实验中双生子都处在“自由下落”的状态,其中一个处于环绕恒星的圆轨道上…     

引力透镜效应研究的历史与现状

在七十年代末,有文章报道说[1],在宇宙空间发现了一对极为相象的“孪生类星体”,发现者们认为,这极可能是六十多年来人们所谈论的“引力透镜效应”. 一、什么是引力透镜效应? 引力场能偏转光线传播的方向.在广义相对论中,有引力场存在的空间不再是平直空间,而是弯曲空间.光线在引力场中传播时偏转的角α=4GM/c2b.式中,G是引力常数,M是引力场源的质量,c是光速,b是光线离引力源最短的距离.对于掠过太阳表面的光线来讲,α=1.75角秒.从1919年以来,这个数值已多次为观测所证实.由此,引力场有可能使远处光源射来的光线会聚起来,起类似光学透镜的…     

近代物理讲座第九讲 白矮星和中子星

近二十年来,由于新技术的飞速发展,从地面到空间,经过从无线电波到γ射线的全波段的观测,已获得了激动人心的创记录的进展.综合孔径射电望远镜的研究(M.Ryle,1974),脉冲星的发现(A.Hewish,1974),宇宙微波背景的发现(A.Penzias和 R.W.Wilson,1978),恒星的演化(S.Chandrasekhar,1983)元素的起源(W.A.Fowler,1983)先后获得了诺贝尔物理学奖金. 作为对天体物理学的初步了解,本讲介绍有关白矮星和中子星的知识. 一、白矮星和中子星 恒星经过一系列演化[1],当其内部核燃料耗尽之后,无法产生与引力抗衡的力量,星体要进一步收缩.由于初始质量…     

黑洞、暗物质、反物质及宇宙的未来

一、黑洞 现在已有越来越多的证据证实黑洞的存在,那么黑洞是怎么产生的呢？一是宇宙形成时就产生了一些黑洞,再就是恒星的坍缩产物中有一种是黑洞．大恒星的坍缩产物就是黑洞．现在间接观测和推断的结论是：不仅各大星系中都有黑洞,而且在某些星系中心也都有一个大黑洞． 二、暗物质 所谓暗物质就是不能用光学方法直接探测到的物质．理论上认为,暗物质本身既不发光,又不与光发生作用（比如,它不反射光）,只存在万有引力．按现有的天体物理理论计算暗物质占整个宇宙质量的９０％．而我们能观测到的各星系质量仅占整个宇宙质量的１０…     

浅谈恒星的演化

在天空里有许多不同种类的恒星,在晴朗的夜晚,你能看到的恒星大多数同太阳十分相似．它们是相当年青的恒星,由于发生在它们中心的所谓热核反应而发光．但还有其他种类的恒星,例如,你在夜空中所看到的几乎呈红色的恒星都是红巨星,还有恒星的遗骸：白矮星、中子星和黑洞,这些小而致密的天体是从其热核燃料资源枯竭的年老恒星产生的． 任何事物的发生、发展总有一定的条件,恒星也是这样,决定恒星演化的因素主要有两个方面,力的问题;能量的问题． 一、恒星的诞生 当气体状的云在其本身的引力作用下开始收缩的时候,恒星的形成过程就…     

量子“去坍缩”假说得以验证

许多科学家相信，量子态是无法精确测量的．一旦被测量，量子粒子就会发生“坍缩”，从拥有多种可能位置的状态变成类似经典物体的单一位置．对此，Andrew Jordan等人提出，应该有可能对量子粒子进行持续的微弱测量，令量子态发生部分坍缩，这时如果进行“去测量”（unmeasure），那么粒子又能回复到坍缩前的初始量子态．这也就是所谓的量子“去坍缩”假说．     

引力波的昨天、今天和明天

正一、引力波的历史1.引力波的理论预言及其特性赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以及电磁波的物理特性早在1893年就提出了引力波的概念。庞加莱于1905年进一步指出了引力波以光速传播。1915年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对论场方程—爱因斯坦场方程,并且于1916年对爱因斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似,推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式,