黑洞是什么?

黑洞是宇宙中最迷人的对象。黑洞是黑暗,密集地区的地方重力是如此坚强,不让任何事物逃跑。即使是光也不能离开这些地区。这就是为什么我们不能看到黑色洞以至于我们的眼睛是看不见的。因为没有什么可以走出黑洞,物理学家理解这些斗争对象。即使是物理定律告诉我们,当事情会变成一个黑色的洞,至少目前还没有。因此,黑洞依然宇宙奥秘,许多科学家努力解决黑洞的奥秘。

理解与黑洞(是怎么回事图1),我们首先需要了解更多关于空间和时间。几乎没有人理解空间和时间比爱因斯坦著名的物理学家与野生卷发。虽然爱因斯坦使用高等数学发展他的想法关于宇宙,我们可以使用图片理解爱因斯坦的理论的基本元素,类比和我们的想象力。物理类比是很有价值的学习工具,因为他们熟悉的概念比较抽象的科学概念我们知道从日常生活1]。本文使用一条河类比探究为什么我们无法逃脱黑洞(2]。

时空是什么?

让我们先从广义相对论,这是爱因斯坦的理论,空间和时间的链接重力。理论是基于爱因斯坦的观点,我们不应该认为时间和空间是独立的,而是连接元素组成时空。时空是我们的方式描述宇宙中所有事件的发生,当他们发生。举个例子,如果你想见你的朋友放学后,你必须同意,你想满足(的地方),当满足(时间)。思考宇宙中所有地方和所有时代的综合概念上挑战宇宙是如此巨大,毕竟!我们如何想象时空?

时空流像一条河

幸运的是,一个类比可以来救援我们试图理解时空。这个比喻比较结构的时空流动的水(2- - - - - -4]。时空远离行星和恒星是平坦顺利没有任何动作,就像一个大型的、安静的湖。对象,人们可以自由地漂浮在这个湖。你可以仍然保持,或者你可以在任何方向轻松地游泳。这种情况类似于宇航员在太空中自由浮动,在那里他们可以很容易地上下移动,左和右。

这个场景当我们观察周围的时空变化巨大的物体如行星、恒星和黑洞。接近这些宇宙时空对象不再是仍然和光滑但弯曲和旋转的,就像强劲的小溪或河流。想象一下,有强流流动在湖的某些部分。你不能看到或感觉到他们的存在,当你非常远离这些电流,因为你周围的水保持静止。但是如果你游到另一个湖的一部分,附近一个电流,可以开始感到当前拖累你。同样,宇航员感觉行星的引力,如果他们走得太近。

如果当前是非常微弱的,你是planet-stream附近,像地球周围的时空。但是附近的拉变得更强的星河湾,像太阳周围的时空,更强烈的黑洞附近的激流。你当前越近,越快你需要游泳如果你想摆脱强大的拉。你需要发挥努力回到安静的湖的区域,在那里你可以停在原地,四处漂浮日光浴。时空也是如此:你是宇宙物体越近,越难摆脱重力把你拉向该对象。

更好的解释重力

河类比说明了爱因斯坦的理论的一个关键的洞察力,即时间和空间与重力有关。重力是什么让苹果从树木和让你困在地上。你可能知道重力是一个巨大的物体之间的引力:地球的质量中心的一切,正是这种与重力相联系。

这个描述重力是一个很好的解释地球上正在发生的事情。但是爱因斯坦意识到一个甚至更好的解释可以描述所有宇宙中引力过程:一个时空的解释!根据爱因斯坦的理论,引力时空的结构形状。巨大的物体像行星和恒星告诉时空如何曲线,和弯曲的时空告诉这些对象如何运动。河的类比,这个时空和重力之间相互作用很容易理解。穿越时空是喜欢游泳在水里。如果没有行星或恒星,你在湖里游泳。水是冷静,你可以在宇航员一样浮在外层空间。接近地球,水就像一条河。你在河里,就像一个亲密的对象在空间将在地球上推倒在地上。

爱因斯坦的理论关于重力是革命性的,因为它提供了一个更好的方法思考我们的宇宙。广义相对论预言黑洞的存在,这是地区的时空洪流是如此的强烈没有什么可以逃避它,即使是光。它就像一个宇宙单向街:对象可以落入黑洞,但没有什么能回报。奇怪,不是吗?起初,爱因斯坦认为黑洞是奇怪得令人难以置信。也许方程对他恶作剧,和他没有完全理解他们。但是爱因斯坦和其他物理学家研究了方程的时间越长,越相信,黑洞存在。

掉入一个黑洞

当然,我们不会使用方程来解释黑洞。我们将使用更少的复杂河流类比。让我们来看看这条河比喻帮助我们理解发生了什么如果你掉进一个黑洞。想象你现在回到湖边,湖边界河与强大的电流。如果你走得太近河,什么也不做,目前拖你到河里。你开始与河,你的速度逐渐增加。你可能会厌倦了携带河边,决定回到湖里游泳。但是你发现,你从湖中越远,你越快需要游泳回来。和你的工作取决于你在哪里:逃离planet-stream比从星河湾容易,需要更大的努力。但是你如果形状,你可以那样做!

黑洞种子有一个更为强大的电流比行星溪流或河流,和黑洞激流特殊用另一种方式:它们形成的瀑布!当你靠近瀑布,似乎没有什么奇怪的或不寻常的:你的速度继续增加,和你进行进一步的流。但是一旦你越过瀑布,你意识到你不能返回(图2)!即使你游泳以极大的能量,你不能游泳回来waterfall-the电流太强,总是拖着你走了。你的朋友不能帮你:它们上面的瀑布,不能听到或看到你下面。

黑洞周围物理学家观察到类似的现象,他们叫它视界。就像瀑布是只能进不能退的地步在我们想象的湖,视界标志在一个黑洞只能进不能退的地步。代替水,重力会拖你的后腿和阻止你返回。你能想象作为一个表面环绕黑洞的视界。以外这个表面包括宇航员、火箭或光可以逃离黑洞。但一旦越过这个表面,没有什么能逃脱,不管它的速度,因为强大的引力黑洞的中心。没有光可以顺利逃脱是宇宙中最快的东西!既然无法逃脱,你看不到是什么在视界。就像地球的地平线,你不能看到5]。这就是为什么物理学家是如此着迷于黑洞:他们知道对象越过活动视界之后继续存在,但没有办法,科学家观察到底是什么因为重力是如此强烈。

结论

黑洞和视界起初听起来神秘。幸运的是,这条河比喻帮助我们揭开神秘的一部分。类比思维是一个很棒的技巧,许多物理学家使用探索复杂的物理概念。这条河类比在数学上是正确的(2),但我们不需要了解时空数学使用类比。而不是学习复杂的时空方程,我们想象时空黑洞周围像一条河。然后我们探索黑洞的性质和视界,想象自己在这条河游泳和瀑布。当然,这样一个简化有时也误导我们的想象力1,4]。这就是为什么需要把他们的想象力和数学物理学家完全了解他们周围的世界。如果你火车你的想象和数学技能,谁知道你可能解决剩下的神秘的黑洞,今天仍然困惑物理学家!

术语表

黑洞:↑一个地区的时空重力是如此强烈,没有光可以逃脱。阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论预言了黑洞的存在。

类比:↑类比比较,描述一件事情在另一个方面。物理学家使用类比来更好地理解和交流复杂的概念(例如,黑洞)的熟悉的想法(如河流)。

广义相对论:↑阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论,物质(行星,恒星,等等)告诉时空如何曲线,和弯曲时空告诉物质如何移动。

重力:↑通常认为是一个巨大的物体之间的引力,现代物理学描述引力时空的弯曲几何。

时空:↑宇宙的织物,由时间和空间的连接元素。物理学家们用时空的概念来描述事件的宇宙。

视界:↑黑洞周围的地区,当交叉,防止物体远离黑洞。这就像掉进瀑布:你不能游泳。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

---

引用

[1]↑Kersting, M。,and Steier, R. 2018. Understanding curved spacetime - the role of the rubber sheet analogy in learning general relativity.科学。建造。27:593 - 623。doi: 10.1007 / s11191 - 018 - 9997 - 4

[2]↑汉密尔顿,a·j·S。,and Lisle, J. P. 2008. The river model of black holes.点。期刊。76:519-32。doi: 10.1119/1.2830526

[3]↑泰勒,e . F。,and Wheeler, J. A. 2000.探索黑洞:介绍了广义相对论。旧金山,CA: addison - wesley朗文。

[4]↑Possel m . 2021。“模型和广义相对论教学类比”在学校教学爱因斯坦的物理学,eds Kersting和d·布莱尔(纽约:劳特利奇)。145 - 59页。

[5]↑索恩,k . s . 1995。黑洞与时间扭曲。爱因斯坦的遗产。纽约,纽约州:诺顿出版社& Company。