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英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

来源:www.beledu.cn时间:2019-05-13编辑:admin奇闻指数:手机版

  据美国《每日科学》网站报道,美国华盛顿大学的物理学家协同法国学者成功模拟出克尔黑洞图像。与其复杂的理论模型不同,该图像令人惊讶的简单。这项成果不但有助于更好地理解克尔黑洞的构造与转动黑洞的引力场,还可将理论假说和图像相比较,促进理论的进一步完善。

  仔细看看这张整体模拟图像表面上确实很简单,形状很像一个早晨刚盛开的喇叭花,当然了这只是简单的模拟了黑洞的表象,正所谓透过现象看本质,不过这还需要一个漫长的过程来论证。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  图像虽然简单但是作用可不容小觑啊,不管怎么说这项成果不但有助于更好地理解克尔黑洞的构造与转动黑洞的引力场,还可将理论假说和图像相比较,促进理论的进一步完善。其实看到这里我们还是没有看到到底什么是克尔黑洞,那我们不妨耐着性子继续往下来看看说不定会有我们想要的答案。

  我们知道由于所有恒星都自转,所以其形状必不能成为严格意义上的正圆球形,因此亦不能由球对称的理论来描述它。早在1963年新西兰物理学家罗伊-克尔得到了能描述不带电旋转恒星的爱因斯坦引力场方程的解,这一理论对于天文学的意义,并不亚于一种新基本粒子的发现,于是就用他的名字命名的这类恒星坍缩形成的黑洞——克尔黑洞。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  换句话说的通俗点就是克尔黑洞其实就是有旋转、无电荷的黑洞,我不知道各位网友是否同意这样的说法,可以说就是以物理学家罗伊-克尔的名字命名的黑洞。

  上面我们已经说了克尔黑洞是以恒常速度旋转的,那么根据爱因斯坦引力场方程,一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态,这个状态只依赖于两个参量,一个是质量另一个就是角动量,后者代表恒星的旋转的速度,类似于基本粒子的自旋。一直以来这类带有角动量的黑洞,被称之为自然界最完美的物体之一,其相关的守恒定律与理论假说在问世40年后仍然是个未解之谜

  但是现在这个模拟图显示克尔黑洞是轴对称的,即绕对称轴转动,作短程线运动的试验粒子其能量是守恒的。同时其绕对称轴的角动量分量也守恒,另外它还允许试验粒子遵循第三个守恒定律。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  而在克尔黑洞中所有的数理方程包括支配引力波传播的一些方程,都可以分离变量,因而得到明确的解。因此研究人员也可以借由图像分析,在克尔黑洞环境中如何依据广义相对论来描述小质量黑洞绕大质量黑洞进行旋转的动作。

  同时虽说图像的建立由理论模型而来但研究人员仍希望,可视化的成果亦能对引力波天文学领域的理论起到或修正或补充的作用。

  “大质量恒星坍塌后形成黑洞”、“黑洞分为静止黑洞和旋转黑洞,旋转的黑洞就是‘克尔黑洞’。”8日下午,国际著名天体物理学家、数学家、物理学家罗伊帕特里特 克尔(Roy Patrick Kerr)教授,在云南大学的科学大讲坛上讲授《黑洞和时间》,在近一个半小时时间里,克尔教授和场内观众一起就“黑洞”理论进行了知识普及和问答互动。

  今天的云南大学科学馆因有克尔教授的到来蓬荜生辉,来自社会各界的学者、专家、学生和天文爱好者齐聚于此,只为听取这位为人类天体物理学贡献了卓越贡献的老教授的演说,可容纳近千人的会堂座无虚席,连过道和门口都站满了人。

  克尔教授毕生从事广义相对论、引力论研究,因成功解决旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题而为人知,曾开创相对论天体物理、黑洞物理等新兴研究领域。听着教授讲述自己从“观测3C273类星体”到“研究星系和黑洞是否可同时出现”的亲身经历,在场听众唏嘘不已。

  报告会后的现场互动也你来我往,相当火热。在场听众所提问题逐一涉及“反物质”、“平行世界”、“白洞”、“虫洞”甚至“时光倒流”等数多概念,都被克尔教授一一解答。来自昆明某学校的教师周阳对克尔教授的演讲赞不绝口,“从前一直以为黑洞就是质量和密度大得惊人的一种宇宙物质,现在才知道原来它是如此复杂。”

  克尔教授经典语录:

  “宇宙中质量最大的黑洞存在吗?在哪里?”

  “是的它存在,不过就在某个地方。”

  “究竟什么是时空?”

  “我不是上帝,我也不知道这个世界究竟是什么世界。”

  “黑洞会消失吗?”

  “不必担心,黑洞不会消失,说不准这会正有一个黑洞从我们中间穿过。”

  “当今被论证的科学理论,未来也许会发现它们是错的;现在看起来是错误的理论,未来也许它们终将成为真理。”

  克尔黑洞(英文:Kerr black hole)是爱因斯坦场方程预言下的一类带有角动量的黑洞,是二种旋转黑洞(rotating black hole)中的一种。用来描述克尔黑洞的时空度规叫做克尔度规,是由新西兰数学家罗伊克尔于1963年解出的。另一种是同时带有角动量和电荷的黑洞,叫做克尔-纽曼黑洞(Kerr-Newman black hole)。相比于静态的史瓦西黑洞,克尔黑洞更接近于实际物理上的黑洞,因为大多数恒星都具有一定的自转角动量,当它们坍缩成黑洞时仍然会保留部分角动量。2006年天文学家对银河系内的X射线双星GRS 1915+105的观测表明,其中的黑洞可能在以每秒1150次的频率高速自转,已经接近了理论上的极限。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  正在做演讲的克尔教授

  罗伊 帕特里克 克尔(Roy Patrick Kerr)教授

  当代享有盛誉的物理学家之一。与伽利略、牛顿、爱因斯坦等近代物理学家一样,克尔教授不仅是物理学家,还是数学家、天文学家。他毕生从事广义相对论、引力论研究,做出了杰出贡献,尤其是解决了旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题,催生了相对论天体物理、黑洞物理等新兴研究领域。

  克尔教授的这一理论发现具有重要的天文学和物理学意义,给天文学和物理学带来勃勃生机。尤其是随着类星体1963年被发现,天文学家认识到,类星体等活动星系核的能源不可能是恒星中的核聚变,而只能是其中心的大质量黑洞通过吸积周围气体释放引力势能,而这些黑洞都是旋转的,即克尔黑洞。黑洞的引力场非常强,用牛顿力学的时空观无法描述。克尔的发现于是催生了相对论天体物理、黑洞物理等新兴研究领域,使得广义相对论不再是纯粹的理论,被广泛应用于天体物理研究。在克尔研究的基础上,罗杰彭罗斯(Roger Penrose)、史蒂芬 霍金(Stephen Hawking)以及克尔本人等一批著名科学家大大发展了当代天体物理学和物理学,取得了许多重大进展。例如,彭罗斯发现由于黑洞的旋转,不一定只吃不吐,也可通过彭罗斯效应和能层等从黑洞提取能量;霍金证明所有旋转天体引力塌缩形成黑洞时,都将形成克尔黑洞,证明黑洞具有辐射。

  黑洞只有三个物理量,即质量、角动量、带电量。史瓦西度规只能描述只有质量而不旋转、不带电的黑洞的引力场和时空,克尔度规描述旋转但不带电的黑洞的引力场和时空。克尔与特德纽曼合作进一步研究了带电黑洞的引力场,发现了克尔-纽曼度规。他还与希尔德 (A. Schild) 合作提出了克尔-希尔顿时空理论。克尔教授的这些杰出科学贡献,为他赢得了许多荣誉和奖章,特别是1982年新西兰皇家学会的Hector奖章,1984英国皇家学会的Hughes奖章,1993年新西兰皇家学会的Rutherford奖章,2006年国际相对论天体物理研究中心的Marcel Grossmann奖,2011年新西兰政府的最高荣誉奖Companion of The New Zealand Order of Merit。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  美国亚利桑那大学物理系的米莉亚(Fulvio Melia)为克尔教授专门写了传记《破解爱因斯坦代码:相对论和黑洞物理学的诞生》(Cracking the Einstein Code: Relativity and the Birth of Black Hole Physics)。(

  那么我们说了克尔黑洞是不随时间变化的绕轴转动的轴对称黑洞,这类黑洞的中心是一个奇环,有内、外两个视界。内视界为黑洞奇异性的界限,而外视界则为不可逃脱的界限。这就意味一旦你落入外视界,你不会立即被黑洞的种种奇异性所摧毁,但此时也别侥幸你将会不可避免地落入内视界。

  研究表明两界面仅在两极处相切,除去两视界外,克尔黑洞的最外围还有一个界限称为静 止界限(简称静界)或无限红移面。静界产生于克尔黑洞的参考系拖拽效应,即克尔黑洞旋转时拖动着周围的时空一起转动。可以理解为在静界处时空的“旋转速度”等于光速, 这就意味着静界内的飞船无论如何不能保持相对静止。

  这也就是说所谓的静界并非克尔黑洞的真正界限,因为进入静界后仍然可以逃离,静界和视界之间的夹层称为能层。研究人员推理说克尔黑洞可能与白洞连接, 因此进入克尔黑洞的物体只要不撞在奇环上就有可能从白洞出来。

  上面我们也说到了克尔黑洞是爱因斯坦场方程预言下的一类带有角动量的黑洞,是二种旋转黑洞中的一种。爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。克尔在史瓦西解的基础上,让这个黑洞模型旋转起来,从而得到了克尔解所描述的黑洞。相比于静态的史瓦西黑洞来说克尔黑洞要更接近于实际物理上的黑洞。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  在克尔黑洞的最外层,由于旋转会产生对周围时空的拖曳效应存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。静止界面外的物体,可以通过推进器等装置在被拖曳的时空旋涡中相对于极远处的观 测者静止不动,而在静止界面内,可以断定,物体一定会 被黑洞的强大引力拖动,开始旋转。

  在这个界面内部和史瓦西黑洞一样存在着视界,但是要比史瓦西视界更加复杂,因为在这里视界分为两个,他们分别是内视界和外视界。

  到什么是内视界和外视界,这两者又有什么却别,我们还要接着来说,所谓的外视界其实就是物体能否与外界通讯的分界面,而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面。

  换句话来说这就意味着进入外视界的物体,必定会被吸入奇点,然后被摧毁,但是还可以在达到内视界以前是可以保持完好无恙的,而一旦进入了内视界,那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服,在达到奇点以前便被彻底摧残。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  此外在能层中,由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂,从而产生穿越时空的虫洞。在内视界内部和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方,但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点,而是一个独特的奇异环,一个充满了量子效应奇异性质的面,安静地平躺在黑洞赤道面上。

  这里需要要注意的是史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场,不论该物体是否处于静止,而克尔几何描述的只是 一个最后的平衡态,它只适用于视界已经形成和所有的畸 形都已被引力波扫除之后,而不能用于转动恒星的实际坍 缩过程。

  我们所不知道就是克尔黑洞的奥秘其实在于能层,所谓的能量层意思就是说能够从中提取能量的一层。克尔黑洞的能量组成有两部分,一个是和质量相对应的引力能还有一个就是和转动对应的转动能。

英国剑桥大学克尔教授:克尔黑洞可能与白洞连接

  但是虽然有两种能但却不意味着我们能全部提取,至少现在看来还是不能的,我们所能提取的只是转动能。到底怎么提取,有人说可以派飞船进入能层,然后朝黑洞转动方向的反方向扔下 一个重物,然后快速离去。这个过程会使黑洞转动的角动量降低,减少的部分转移到飞船上,另外转动量也降低, 这部分能量也转移到了飞船上,这就从黑洞中提取了能量。

  也许网友会问克尔黑洞为什么会有两个视界,史瓦西黑洞为什么只有一个,其实小编认为那并不是两个视界面。应该说这其中一个叫事件视界,一个叫无限红移面。其实每个黑洞都有这两个面,但由于史瓦西黑洞是死亡的黑洞,它失去了旋转,致使这两个面重合了。

  当然这只是小编个人观点,也许随着科学的进步关于克尔黑洞会给出更好更全面的解释。毕竟万事万物都是在不断运动变化和发展着的,所以欲知更多详情还请继续关注外星探索,稍后会带来更多有关克尔黑洞更进一步的最新讲解。

克尔黑洞和黑洞有什么区别?

  我们知道宇宙之中任何一种星体,都会有自我旋转,包括恒星和行星都是如此。根据天文学家的观测发现大多数恒星,都具有一定的自转角动量,这种动量是十分稳定的一种形态,会伴随这恒星一生。也就是说恒星生命末期,出现坍缩的时候会成为黑洞,但是此时黑洞仍然会保留部分角动量...

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