什么是黑洞的奇点

奇点

读音：qí

diǎn

英文：singularity

一个存在又不存在的点！

空间——时间的具有无限曲率的一点，空间——时间在该处完结。经典广义相对论预言奇点将会发生，但由于理论在该处失效，所以不能描述在奇点处会发生什么。

作为一个世界的发生之初,它应该具有所有形成现在宇宙中所有物质的势能,而这种势能----正是我们所言的能量,我们可以想象,能量是一种无形的东西的,所以奇点是无形的.也就是说宇宙的奇点所具有的势能是无形的,他只是一种很奇妙的存在而已.你能想象的到.

同时我们还可以想象,在某一点上宇宙奇点的这一势能平衡被打破,于是乎能量便不断转换为物质,而经过若干年而形成了我们现在的宇宙---物质与能量的共生体.

然而我们不能想象的出的是什么东西引发了这一奇点势能平衡的被破坏.

奇点是没有大小的“几何点”，就是不实际存在的点，这是很令人难于理解的。令人难于理解的还有，没有大小的奇点物质竟然是能级无限大的物质。这些是同我们现有的理论和观念不相合的。

奇点是数学概念，即分母极限为0的情况，通常来说就是产生无穷大解的表达式，这种情况数学计算实效。

补充：所有不满整体性质的个别点，在数学上都可以称为奇点。

物理学上面的奇点，多见于描述黑洞中心的情况。此时因为物质在此点密度极高，向内吸引力极强，因此物质压缩在体积非常小的点，此时此刻的时空方程中，就会出现分母无穷小的描述，因此物理定律失效。奇点是天体物理学概念,认为宇宙刚生成时的那一状态.

引力奇点（Gravitational

singularity‎）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。

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陷成一个密度无穷大的点，即奇点(见彭洛斯，罗杰)。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。

在以上两种情况下，方程式都没有考虑量子理论。当我们处理的物体小于普朗克长度，或时间短于普朗克时间时，已知的物理学定律，包括广义相对论，看来真会失效。这意味着，在那样的尺度上，合情合理的设想将是，向奇点坍缩的物质受到量子过程的影响，有可能‘反d’而转为向外膨胀到另一组维度中去。有入主张，大爆炸‘奇点’实际上就是这样一种反d。

加州理工学院的理论物理学教授基普·桑尼把量子奇点说成是引力将空间和时间彼此‘分离’的地方，然后再将时间概念和空间明确性一一破坏，留下来的是一个任何东西都可能从中出现的‘量子泡沫’(《黑洞和时间翘曲》，476-477页)。奇点——尤其是与自转黑洞和裸奇点(如果存在的话)相关联的奇点——甚至可能容许实现时间旅行。

        听到“黑洞”，相信很多的小伙伴会想到2019年4月10日，EHT(Event Horizon Telescope，事件视界望远镜)在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京将同时召开新闻发布会，以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语发布“事件视界望远镜”的第一项重大成果——人类有史以来获得的第一张黑洞照片[1]。

        想要了解什么是“黑洞的奇点”就要先知道什么是黑洞，黑洞是如何产生的？ “黑洞”的概念最早源自于1783年英国剑桥大学学监 、自然哲学家约翰·米歇尔(John Mitchell)写给卡文迪许(Cavendish)的一封信中提出了暗星的概念[2]。在米歇尔的暗星概念中，光是以粒子的形式存在的。基于牛顿引力定律，当一个星球的质量足够大、也足够致密时，其逃逸速度接近光速。此时该星球上的光粒子无法摆脱星球引力的束缚，在宇宙空间的其他任意位置都不能观测到该星球发出的光线，米歇尔把该种天体称作“暗星”。“暗星”这个概念并没有引起人们对黑洞的思考，这是因为英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)在1801年进行了著名的杨氏双缝实验，发现了光的干涉性质，证明光以波动形式存在，而不是所想象的光颗粒(Corpuscles) [3]。在当时人们的认知中，“暗星”的猜想是荒谬的。

        直到1915年，爱因斯坦提出来广义相对论，改变了人们对引力的认知。1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算在球对称情况下爱因斯坦引力场方程时得到一个真空解，该解描述的是有质量的点周围时空的几何结构，史瓦西发现该质点会扭曲周围的时空,  使得某个临界半径以内的空间与宇宙的其余部分相隔绝，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这个临界半径被称作史瓦西半径R=2GM/c^2，其中G 为万有引力常数，c 是光速，M 指黑洞质量。通过史瓦西半径得知黑洞视界半径的大小与黑洞的质量成正相关[4]。通常恒星内部的核聚变反应产生高温气体，气体中的压强梯度力能与引力相抗衡，使恒星能够处于流体静力学平衡状态，当一颗恒星耗尽了核燃料时，温度降低，压强梯度力就无法与引力抗衡，物质朝着中心迅速塌缩，一部分物质被抛向宇宙空间,  而剩下的物质则在自身引力作用下朝中心聚集，形成一个致密天体。若原先的恒星质量足够大——大于大约 20 倍太阳质量(1 太阳质量=1.9891×1030 kg)，爆发后形成的致密天体就是黑洞。

        “黑洞”正式命名是在1967年12月29日,  美国著名物理学家惠勒(Wheeler)在哥伦比亚大学的一次题为“Our Universe: the Known and Un-known”的公众讲座中首次使用,  从那时起“黑洞”逐渐成为物理学中的一个专有名词。严格的、广义相对论下的黑洞，可以通过史瓦西半径所确定的球面来确定该黑洞的表面，相对于简单的史瓦西黑洞模型(不带电、也不转动)，实际存在的黑洞要复杂的多，描述一个完整的黑洞需要三个物理量:  质量、电荷和角动量。这就是在1973年由霍金、科特尔（B. Carter）等人严格证明了“黑洞无毛定理”[5]——当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。

        如何发现黑洞？黑洞与宇宙中大多数天体的不同之处在于黑洞无法通过直接观测得到，现今对黑洞的观测大多通过黑洞周围的物理过程：吸积和喷流。黑洞吸积是指在黑洞周围的气体在黑洞强引力的作用下向黑洞下落的过程。气体在下落过程中引力势能转化成内能和动能， 因此到达黑洞附近的气体温度可以达到几百万到几百亿摄氏度。这些高温等离子体会发出强烈的多波段电磁辐射，同时还会产生喷流以及风，而且这些气体一般携带着角动量，因此会形成一个盘状结构——黑洞吸积盘[6]。黑洞喷流是指在黑洞吸积盘上一些被加速到接近光速的粒子在强大磁场的作用下从黑洞的两极方向飞出去，形成细长的喷流。由于黑洞巨大的质量，使得其自转非常稳定，自转轴在很长的时间尺度里都不会发生变化，所以黑洞的喷流总是又长又直，远远延伸到空间中，有时喷流的长度可达几万光年[7]。

        通过观察这些物理过程，获取宇宙中其他天体在被吸入黑洞之前，因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出x射线和γ射线的“边缘讯息”，或者观测恒星或星际云气团绕行轨迹，来推测出黑洞的位置和质量等信息。历史上第一个发现的黑洞是天鹅座的X-1，其质量约为太阳的8-10倍，周围天体的下落使其在x射线波段显得异常明亮。通过观测恒星绕行轨迹推测出的黑洞是在银河系中心人马座A* (Sgr A*)区域潜伏着的一个超大质量黑洞，2009年，一个国际天文学家团队根据长达16年的红外观测，得到了其中 28 颗恒星的轨道，发现它们在围绕着一个看不见的天体转动，直到2017年，确定了40颗恒星的轨道，根据其中17颗恒星的轨道分析，以更低的误差计算出银河系中心黑洞质量为 428 万倍太阳质量[8]。在如此小的区域内，却拥有400 多万倍太阳质量，难以找到其它类天体具有这样的性质。天文学家们认为该证据表明银河系中心就潜伏着一个超大质量黑洞。

        根据黑洞本身的物理特性可以将黑洞分为四类：不旋转不带电荷的黑洞——史瓦西黑洞、不旋转带电黑洞——R-N黑洞、旋转不带电黑洞——克尔黑洞、旋转带电黑洞——克尔-纽曼黑洞。根据黑洞的质量划分可以分成三类：恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级质量黑洞，几倍—几百倍太阳质量；超大质量黑洞，几百万倍太阳质量以上；而中等质量黑洞，质量位于两者之间。恒星级黑洞预计在类似银河系的一个星系中至少有上亿颗.  但由于它们绝大部分缺乏吸积原料,  因而很难观测到,  目前只在银河系内观测到了二十多颗[9]。

        1988年，物理学家斯蒂芬·霍金与牛津大学数学教授罗杰·彭罗斯共同获得沃尔夫物理学奖，获奖原因是他们在上世纪 70 年代证明了奇性定理——奇性定理证明了广义相对论并不完备，因为如果广义相对论是普遍有效的，那么宇宙时空中一定存在一些奇点。在对黑洞的研究中心发现虽然黑洞的质量和视界都是有限的，但是这些质量并没有均匀分布在整个视界的范围上，而是聚集在黑洞中心的一个点上，这个点是一个密度无限大、时空曲率无限高、体系无限小、热量无限大的奇点，周围是一片什么都没有的空间，这个区域无法被肉眼看见，这个点被称为黑洞的“奇点”[10]。

        在霍金的《大设计》[11]一书中这样解释奇点：奇点是时空中的点，在这一点，物理量变成无穷大，经典物理定律失效。奇点出现在宇宙大爆炸时，也会在黑洞中形成，或者可以说，宇宙和时间都可能产生于奇点，也可能终结于奇点。

       “黑洞奇点”将作为一个知识爆发的起点，在这里我们将为您展现严谨有趣的科普知识，一起探索世界的奥秘，拆开身边的“黑箱”。

参考文献：

[1].首张黑洞照片公布！你看你看，黑洞的脸！[N].人民日报,2019-04-10.

[2].John Michell. On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A. S.[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London,1784,74:35-57.

[3].刘茜.走近黑洞[J].科技智囊,2015(11):78-85.

[4].左文文.走近天文之一 揭开黑洞的神秘面纱[J].物理,2020,49(03):196-199.

[5].Bekenstein. Novel "no-scalar-hair" theorem for black holes.[J]. Physical review. D, Particles and fields,1995,51(12).

[6].卢炬甫.黑洞吸积盘理论进展[J].天文学进展,2001(03):365-374.

[7].袁峰.黑洞喷流研究进展[J].物理,2015,44(02):69-76.

[8].Gillessen S , Plewa P M , Eisenhauer F , et al. An Update on Monitoring Stellar Orbits in the Galactic Center[J]. Astrophysical Journal, 2017, 837(1):30.

[9].袁峰.看见黑洞:“人类公布首张黑洞照片”事件解读[J].科学通报,2019,64(20):2077-2081.

[10].赵昂. 霍金与黑洞研究[N]. 工人日报,2018-03-23(006).

[11].霍金, S. ), 蒙洛迪诺,等. 时间简史·大设计: 霍金七十寿辰庆典限量版[M]. 湖南科学技术出版社, 2011.

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