科學家們目前尚無法確切理解黑洞的內部狀況。愛因斯坦的廣義相對論通常會被用來理解黑洞的物理特性。幸運的是，對於黑洞演化最終狀態的物理學描述可能相對更簡單一些。科學家們注意到，廣義相對論的一個解可以得出一種狀態，稱為“克爾時空”(Kerr spacetime)。學術界現在相信，克爾時空便是黑洞演化到終點時呈現的狀態。
基本介紹
- 中文名：克爾時空
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簡介
黑洞演化的終點或許是成為一種讓人費解的，時間呈現停滯的時空狀態。現在，一項最新的研究提出了一種新方法，可以了解某個黑洞離到達演化的終點還有多遠。 對於黑洞演化最終狀態的物理學描述可能相對更簡單一些。科學家們注意到，廣義相對論的一個解可以得出一種狀態，稱為“克爾時空”(Kerr spacetime)。學術界現在相信，“克爾時空”便是黑洞演化到終點時呈現的狀態。
無法確切理解黑洞的內部狀況
黑洞是宇宙中最神秘的天體之一。簡單地說，它們就是當大量物質被壓縮進入一個極小的區域，從而使其物質密度達到極高的狀態。儘管觀測顯示黑洞應當是宇宙中非常普遍的現象，但科學家們目前尚無法確切理解黑洞的內部狀況。愛因斯坦的廣義相對論通常會被用來理解黑洞的物理特性。“但這是超出我們現有的物理知識的，”朱安·安東尼·瓦倫丁·克農(Juan Antonio Valiente Kroon)說。他是倫敦大學瑪麗皇后學院的數學家。
需要發明新的物理方法
“要想理解黑洞內部發生的狀況，我們需要發明新的物理方法。”“一般而言，相對論方程及其複雜，因此對於一個相對論系統，你套用這些方程的唯一方法便是藉助計算機，”瓦倫丁·克農告訴記者說。“正因為如此，像克爾解這樣的情況實在是一種例外。克爾解是廣義相對論少數幾個清晰明確的解之一，擁有直接的物理學意義。”
時間獨立
“克爾時空”是“時間獨立”(time-independent)的，這意味著“克爾時空”中的任何東西都不會隨時間發生改變。這也就意味著，時間停滯了。處在這種狀態的黑洞事實上處於靜止狀態。“有人可能會說，黑洞一旦演化到這一階段，就不會再發生任何改變。”瓦倫丁·克農說。在他們的最新研究中，瓦倫丁·克農和他在瑪麗皇后學院的同事，托馬斯·貝克達爾(Thomas Backdahl)已經找到一個方程，可以描述一個黑洞距離達到“克爾時空”狀態還有多遠。這一過程可以很快發生，甚至在數秒內完成，一切完全取決於其質量。
克爾黑洞
為了套用這一方程，科學家們首先必須考察黑洞周圍的一個區域，成稱為“視界”。“視界”一般被定義為黑洞的邊界，任何物質，甚至光線，一旦進入視界範圍，將無法逃逸。研究人員認為這項研究將有助於對黑洞的計算機模擬，並使其更逼近真實的觀測數據。天文學家們認為大多數星系，包括我們所在的銀河系的核心存在超大質量黑洞。一些研究者認為這些黑洞正是克爾黑洞。瓦倫丁·克農和貝克達爾已經將他們的研究結果發表在了1月19日出版的《英國皇家學會會報》A版。
黑洞
黑洞的定義
綜述
黑洞是根據現代的廣義相對論所預言的，在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力塌縮而形成。黑洞質量是如此之大，它產生的引力場是如此之強，以至於任何物質和輻射都無法逃逸，就連光也逃逸不出來，故名為黑洞。在黑洞的周圍，是一個無法偵測的事象地平面，標誌著無法返回的臨界點。
歷史上，法國物理學家拉普拉斯曾預言：「一個質量如250個太陽，而直徑為地球的發光恆星，由於其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由於這個原因，宇宙中最大的發光天體，卻不會被我們看見」。
現代物理中的黑洞理論建立在廣義相對論的基礎上。由於黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。比如說，恆星在被吸入黑洞時會在黑洞周圍形成吸積氣盤，盤中氣體劇烈摩擦，強烈發熱，而發出X射線。藉由對這類X射線的觀測，可以間接發現黑洞並對之進行研究。迄今為止，黑洞的存在已被天文學界和物理學界的絕大多數研究者所認同。
廣義相對論
廣義相對論的定義
廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦於1916年發表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現代物理學中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，並在此基礎上套用等效原理而建立。
綜述
廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦於1916年發表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現代物理學中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，並在此基礎上套用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接相聯繫，其聯繫方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。
從廣義相對論得到的有關預言和經典物理中的對應預言非常不相同，尤其是有關時間流逝、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題，例如引力場內的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應。廣義相對論的預言至今為止已經通過了所有觀測和實驗的驗證——雖說廣義相對論並非當今描述引力的唯一理論，它卻是能夠與實驗數據相符合的最簡潔的理論。不過，仍然有一些問題至今未能解決，典型的即是如何將廣義相對論和量子物理的定律統一起來，從而建立一個完備並且自洽的量子引力理論。
愛因斯坦的廣義相對論理論在天體物理學中有著非常重要的套用：它直接推導出某些大質量恆星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度的扭曲以至於連光都無法逸出。有證據表明恆星質量黑洞以及超大質量黑洞是某些天體例如活動星系核和微類星體發射高強度輻射的直接成因。光線在引力場中的偏折會形成引力透鏡現象，這使得人們能夠觀察到處於遙遠位置的同一個天體的多個成像。廣義相對論還預言了引力波的存在，引力波已經被間接觀測所證實，而直接觀測則是當今世界像雷射干涉引力波天文台（LIGO）這樣的引力波觀測計畫的目標。此外，廣義相對論還是現代宇宙學的膨脹宇宙模型的理論基礎。
視界
視界的定義
事界即事件穹界，亦稱事像地平面（event horizon），是一種時空的曲隔界線，指的是在事界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事界以內的任何事件的資訊，或者受到事界以內事件的影響。因為即使速度快如光也無法出脫事界的範圍，因此又演繹出「視界」的譯詞，作為外界觀察者可看見範圍的界線。
綜述
事界即事件穹界，亦稱事象地平面（event horizon），是一種時空的曲隔界線，指的是在事界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事界以內的任何事件的資訊，或者受到事界以內事件的影響。因為即使速度快如光也無法出脫事界的範圍，因此又演繹出“視界”的譯詞，作為外界觀察者可看見範圍的界線；從這點，事界所包住的時空對外界的觀察者而言看起來是黑的，而出現了“黑洞”這名稱。
事件穹界，即在此以後的事件將不再能被觀察。因為黑洞的重力場在此界後將大得連光子也逃不出來。
依照廣義相對論的理論計算，若有自願的太空旅行者往黑洞前進（無異自殺行為），在接近事界之前，若其不斷對遠方觀察者送出光波訊號，此遠方觀察會發現光波的波長逐漸紅移；在事界那一刻，波長為無限大。太空旅行者通過事界時，並不會感到特別的重力場異常，直到進入事界範圍內後，會發現潮汐力越來越大，最終將其撕裂。
目前對“黑洞”候選星的觀測驚訝地發現，“事象地平面”在實際的天體觀測當中，竟然不存在，沒有任何一個“黑洞”候選星的具有強烈特徵可以證明“事象地平面”的存在，即便是“夸克星”其“事象地平面”亦位於星體內部。天體物理學家新近提出兩類新品種“模糊球”及“灰洞”(Q Star, Gray Hole)的星體做為實際觀測到的現象替代星體。
事件穹界，即在此以後的事件將不再能被觀察。因為黑洞的重力場在此界後將大得連光子也逃不出來。
依照廣義相對論的理論計算，若有自願的太空旅行者往黑洞前進（無異自殺行為），在接近事界之前，若其不斷對遠方觀察者送出光波訊號，此遠方觀察會發現光波的波長逐漸紅移；在事界那一刻，波長為無限大。太空旅行者通過事界時，並不會感到特別的重力場異常，直到進入事界範圍內後，會發現潮汐力越來越大，最終將其撕裂。
目前對“黑洞”候選星的觀測驚訝地發現，“事象地平面”在實際的天體觀測當中，竟然不存在，沒有任何一個“黑洞”候選星的具有強烈特徵可以證明“事象地平面”的存在，即便是“夸克星”其“事象地平面”亦位於星體內部。天體物理學家新近提出兩類新品種“模糊球”及“灰洞”(Q Star, Gray Hole)的星體做為實際觀測到的現象替代星體。
