了不起的物理

48 如何用一句話解釋黑洞?

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2019年和2020年可以說是黑洞年。2019年的時候,人類科學家第一次拍到了黑洞的照片。2020年的諾貝爾物理學獎的三位獲獎者,都是因為對黑洞的研究而獲獎的。接下來幾篇,我們集中討論黑洞。

首先要問,黑洞是什麽?為什麽黑洞是黑色的?

黑洞的概念,其實在幾百年前就已經被提出來了。黑洞用一句話概括,就是一個引力大到連光都沒辦法從上麵逃脫的天體。為了理解這句話,我們先理解“第二宇宙速度”。中學裏,我們就學過第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。第一宇宙速度我們比較熟悉。牛頓考慮過一個問題,我們在地上扔石頭,如果這個石頭被扔出去時的速度越大,它就能被扔得越遠。地球是一個球形,如果我們扔石頭的速度足夠大的話,它會不會直接圍繞地球一圈轉回來擊中我們的後腦勺呢?答案是肯定的,這個能讓石頭圍繞地球旋轉並且永遠不會掉下來的速度就叫第一宇宙速度。離地麵比較近的人造衛星,它們的運行速度大約就是第一宇宙速度,大約是7.9km/s。第二宇宙速度,是指物體在地球上達到這個速度以後,就可以脫離地球的束縛,想飛多遠就飛多遠,所以第二宇宙速度也叫逃逸速度。地球的逃逸速度大約是11.2km/s。一個天體的質量越大,引力就越強。引力越強的天體,要脫離它的引力束縛就越難。如果一個天體的質量大到它的逃逸速度超過了光速,連光都無法逃脫這個天體的束縛,天體就變成了一個黑洞。

根據愛因斯坦的狹義相對論,光速是宇宙中最快的速度,沒有任何物體的運動速度可以超過光速。既然連光都沒有辦法從黑洞上逃脫,則任何物體都無法從黑洞上逃脫。

黑洞為什麽是黑色的?因為連光都沒有辦法從這個天體上逃脫,自然也無法進入你的眼睛被你看到。對於一個觀察者來說,沒有光線進入眼睛,那他看到的景象就是黑色的。那為什麽黑洞是一個洞呢?它明明是個天體,為什麽不叫黑球?因為黑洞是隻進不出的,任何物體隻要進入了黑洞的範圍就再也無法逃脫了,這種隻進不出的行為就跟一個無底洞一樣,因此叫黑洞。