2024年5月8日发(作者：诺基亚5320xm参数)

阅 读 材 料

第一章 奇妙的

黑洞

什么是黑洞

早在1795年,著名的数学家拉普拉斯曾指出,可能存在一种星球,由于它具有

的引力是如此之大,以至于光都不能从它的表面跑出来。拉普拉斯写道:有一个

发光体,它的密度与地球密度一样,其直径比太阳的直径大250倍,可是由于被吸

引的缘故,无法使其光线达到地球。因此,在宇宙中,最大的星体可能由于这个原

因而成为看不见的星体。

传说,牛顿由苹果落地发现了万有引力。当我们站在地面,向上抛出一个物

体时,无论你使多大劲,物体上升到一定高度后,终归还是要落到地面上来,这是由

于物体受到地球对它的吸引力的缘故。但是,如果我们赋与物体的速度足够大,

例如用多级火箭来加速,可以把人造卫星送到地球上空绕地球旋转,人造卫星可

以在很长时间以至数年内不落回地面。进而,我们还可以把仪器和宇航员送到月

球,甚至送到火星和其它太阳系的星球上去。美国的宇宙飞船“旅 行者号”就在

太阳系中飞行了17年之久,最近到达海王星附近,它们可以永远不再回到地面上

来。根据物理学的计算,物体逃出星体的引力范围必须具有的最低速度为



II

,即

2GM

R



II



(1.1)



II

被称为第二宇宙速度。其中,

G6.672010



11

Nm

2

kg



2

,是万有引力常

数,M是星球的质量,R是星球的半径。公式（1.1）的推导十分容易:当物体离开

星球引力范围时,可以认为它的总能量正好为零,它从星球出发的速度为



II

,相当

2

于具有动能

1

mv

II

。物体的动能用来克服星球引力,当它脱离星球的引力范围

2

时,正好将全部动能耗尽。按照能量守恒定律,物体在星球表面出发时的总能量

应等于物体脱离星球引力范围时的总能量,即

1

mv

2



GMm



0

II

2R

(1.2)

上式中,GMmR是物体在星球表面具有的势能,m是物体的质量。由（1.2）式

可得到（1.1）式。

如此看来,只要具有足够大的速度v,且

v



v

II

(1.3)

物体就可以逃出这个星球。然而,实际上并非所有的情况下,只要v足够大物体就

能达到离开星球的目的。因为物理学中还有另一条规律,那就是宇宙中任何物体

上的速度都有一个上限,这个上限为光在真空中的速度

c

2.997924580



10

8

ms



1

2GM



c

R

所以,当一个星球的质量M很大,半径R很小时,则可能有下面情况出现,即

v

II



(1.4)

（1.4）式表明,物体逃出星球的速度起码要大于光速c,这显然是不可能的。于

是,包括光在内,任何物体都不可能逃出这样一个质量大、半径小的星球。拉普

拉斯所指的看不见的星球讲的就是这个意思,我们把这种星球称为牛顿黑洞。拉

普拉斯的结论是从牛顿引力理论推出来的，根据广义相对论也会得到类似的结

果。现代黑洞是如此定义的∶黑洞是时空中这样的一个区域∶任何物质一旦进入

该区域,便永远不能出来。

最简单的黑洞是一个不旋转的，不带电荷的球对称的星球,叫做史瓦西黑洞

（Schwarzchild black hold）。还有能旋转的，轴对称的克尔—纽曼黑洞（Kerr-

Newman black hold）。以克尔黑洞为例,介绍黑洞的各个部分。

克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一

个球面,包含在静界和外视界之间的空间称为能

外

视

界

静界S

层。物体进入能层尚还可以从中再返回到黑洞外

部的空间,一旦物体进入了外视界,便永远不能再逃

出来了。值得指出的是，静界和外视界都无法观

察，即看不见，它们只是一个几何尺度。由于外

视界具有单向可通性,即物质只可进入，不可逃

Kerr黑洞静界和视界

出，故称外视界为单向膜。史瓦西黑洞的静界与

图1-1

外视界重合，同在一个球面。静界还有一个名

称，叫无限红移面。如果有一束光从静界出发来到无穷远的观察者处，则其波

长将变为无穷大。

黑洞有些什么性质

E

H

由于没有

J M

Q

任何东西能从

黑洞中逃出

E+△E

图1-3 从能层中获取能量图1-2 黑洞有三根“毛”