黑洞的内部构造

8.黑洞的内部构造

所有黑洞的基本结构一般都是相同的，中心的奇点部分被一个不可见的边界围着，我们称它为“视界”，任何东西一旦掉进视界里，就无法逃脱。视界的尺码叫史瓦西度半径。

由史瓦西度规描述球对称天体的引力场，史瓦西度规解出沿零短线运动的光线偏转角的解得到引力半径，又称为史瓦西度半径，它所处形成的球面叫做奇面。实际上，它是黑洞的表面，这个面又叫做无限红移面。在无穷远的观测者看来，离曲面越近的光源发出的光，频率变得越低，波长变得越长，也就是说，光谱线向红端移动得越厉害。

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黑洞真的是一个洞吗？

“黑洞”很容易让人望文生义地把它想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”是这样一种天体：它的引力场强得连光也无法逃脱。根据广义相对论，引力场会使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响。黑洞是黑的，这表明它不向外界发射和反射任何光线或者产生其他形式的电磁波，不管是波长最长的无线电波，还是波长最短的γ射线。所以你无法看到它，因为它是黑的。它有个洞，意思是任何东西只要以进入它的地盘，就别想再离开了，好像它是无底的洞似的。

想象中被吸进黑洞的星体

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奇点是怎样产生的？

在150亿——200亿年前，宇宙中的所有星系都聚集在一点，这就是所谓的“大爆炸”。该时刻的宇宙密度及其空间——时间的曲率，均为无穷大。换言之，弗利德曼宇宙模型所依据的广义相对论，预言了宇宙中存在大爆炸奇点，在该奇点处，所有的科学定律全部失效——因为数学上，无法处理无穷大数。如果大爆炸时刻前存在着事件，那么它们不会对大爆炸之后的事件造成任何影响，而依据大爆炸前发生的事件，对大爆炸后作出判断的科学预见性，也不存在。这就是说，大爆炸形成宇宙之前的时间，是没有意义的。引力奇点，是大爆炸宇宙论所说到的一个“点”，即“大爆炸”的起始点。该理论认为，宇宙（时间－空间）是从这一“点”的“大爆炸”后，而膨胀形成的。奇点，是一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”，一切已知物理定律，均在奇点失效。奇点是我们熟知的物理学定律失效的地点。奇点一般被看成点，但原则上，它们可以取一维的线或甚至二维的膜的形式。按照广义相对论的方程式，只要形成了一个无自转的史瓦西黑洞，该黑洞视界内部的物质，必然在引力作用下，塌缩成一个密度无穷大的点，即奇点。宇宙从大爆炸开始的均匀膨胀，就是这种黑洞坍缩的镜像反转，意味着宇宙诞生在一个奇点中。

宇宙大爆炸

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什么是史瓦西半径？

史瓦西半径是卡尔•史瓦西于1915年针对广义相对论方程关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。他发现这个半径，是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。在物理学和天文学中，尤其在万有引力理论中、广义相对论中，史瓦西半径是一个非常重要的概念。

一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。太阳的史瓦西半径约为3000米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。小于史瓦西半径的物体，被称为黑洞，当然，太阳和地球现在都不是黑洞。在不自转的黑洞上，史瓦西半径所形成的球面组成一个视界，但自转的黑洞情况，稍有不同。光和粒子一旦落入这个球面的范围内，就都无法逃离这个球面。银河中心的超巨质量黑洞的史瓦西半径约为780万千米。一个平均密度等于临界密度的球体史瓦西半径，等于我们可观察的宇宙半径。

根据史瓦西半径得知，如果一个重力天体的半径，小于史瓦西半径，天体将会发生坍塌。在这个半径以下的天体，其间的时空弯曲得如此厉害，以至于其发射的所有射线，无论是来自什么方向，都将被吸引回这个天体的中心。因为相对论指出，任何物质都不可能超越光速，在史瓦西半径以下的天体的任何物质，包括重力天体的组成物质都将塌陷于中心部分。一个理论上无限密度组成的点，组成重力奇点。

银河系的史瓦西半径为780万平米