史瓦西半径 :1916年德国科学家史瓦西提出的概念

更新时间:2023-08-15 18:37

史瓦西半径(Schwarzschild radius),于1916年由德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了阿尔伯特·爱因斯坦引力场方程的一个真空解。

史瓦西半径解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”。黑洞的外圈为事件视界,又称史瓦西半径。

定义

史瓦西半径等于万有引力常数乘以2倍天体质量,再除以光速的平方。如果一个天体的真实半径大于史瓦西半径,它就能被人们看到;反之,它就会消失在人们的视野之外。

史瓦西半径是爱因斯坦场方程的史瓦西解中的一个物理参数,对应于定义史瓦西黑洞事件视界的半径。它是与质量相关的特征半径。史瓦西半径以德国天文学家卡尔·史瓦西的名字命名,他在1916 年计算了广义相对论的精确解。

发现与命名

1783年,英国地理学家约翰·米歇尔就提出,宇宙中可能存在一种天体,其密度大到连光都无法逃逸。1915年,阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论中提出某些大质量恒星会演化为巨大的引力场。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西的计算结果表明,如果大量物质集中于空间一点,其产生的引力可以让光也无法逃脱。1968年,美国天体物理学家约翰·惠勒正式提出了“黑洞”一词。

在此学术中,德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西于1916年提出了史瓦西黑洞假说,将史瓦西黑洞设定为一个不带电、不自旋的黑洞,黑洞中心为奇点,黑洞的外圈为事件视界,又称史瓦西半径。史瓦西黑洞又被称为“寻常黑洞”,其本身只是一种假说模型,并不能代表现实当中黑洞的真实面貌。

卡尔·史瓦西假说发现,如果一个天体质量特别大而半径又特别小,强烈的时空弯曲所形成的“凹坑”会将其隐藏起来。

史瓦西还由此推导出天体的视界半径。所谓视界半径,就是看得见的半径。后来科学界称之为史瓦西半径,它等于万有引力常数乘以2倍天体质量,再除以光速的平方。如果一个天体的真实半径大于史瓦西半径,它就能被我们看到;反之,它就会消失在我们的视野之外。因为众多的天体物质分布都或多或少具有球对称性或近似球对称性,利用史瓦西解可以对广义相对论作出一定的实验检验。

一些恒星在燃料逐渐消耗减少的过程中,会不断缩,真实半径逐渐减小。如果其坍缩到真实半径比史瓦西半径还小,人们就看不到这颗星星了。虽然星星“隐身”了,但是真实存在的。1962年,美国天文学家罗伯特·狄克将这种消失的天体称为黑洞。一般情况下,黑洞都是由大质量恒星演化来的。当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,它没有足够的能量承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体(几乎为奇点),而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。黑洞是大质量恒星走向死亡的另一种“残骸”。

应用

任何物体只要压缩得足够小,都会变成黑洞。任何质量的物体,都有一个临界半径,叫作史瓦西半径。对太阳来说,史瓦西半径略小于3千米;对地球来说,史瓦西半径只有不到1厘米。不管什么样的物体,只要全部质量被压缩到它的史瓦西半径内,就会变成黑洞。

半径公式

史瓦西半径(Schwarzschild radius)的公式,其实是从物体逃逸速度的公式衍生而来。该值的含义是,如果特定质量的物质被压缩到该半径值之内,将没有任何已知类型的力可以阻止该物质在自身引力的条件下将自己压缩成一个黑洞。

它将物体的逃逸速度设为光速,配合万有引力常数天体质量,便能得出其史瓦西半径。

根据天体逃逸速度()的计算公式计算天体的史瓦西半径。

指天体的逃逸速度,为万有引力常数,为天体质量,为天体质心与被吸引物体质心的距离。物体的速度若小于一个天体的逃逸速度,就不能摆脱其引力束缚,会被该天体吸引,无法脱离轨道而逃逸到星际空间。

推导过程:

由万有引力公式: (1),和由艾萨克·牛顿第二定律

在这里,天体表面的加速度等于天体表面的重力加速度,则牛顿第二定律可写成(2), (1)(2)两式联立, 消去,得(3)

将(3)式代入

在天体表面,

重力势能

设物体动能为

,要使物体逃脱天体的引力飞向星际空间,则要有 ,取该值的临界值, ,也就是物体恰好不能逃脱天体引力而飞到星际空间的瞬间值。

(4)

将(4)式变形,得

化简得

,当 时求R之临界值(即光恰好不能逃脱天体引力而飞到星际空间瞬间时的天体半径)。

如果逃逸速度v≤光速c时,物体便再也无法从天体的引力中逃逸到星际空间,会运行在该天体轨道上或者落到天体上。此时,即便是光,也无法从这个天体的引力中逃逸到星际空间,这时,这个天体便成了黑洞。

综上所诉,得天体的史瓦西半径的公式为: ,为天体的史瓦西半径,为万有引力常数,为天体的质量,为光速。

天体的史瓦西半径即为逃逸速度等于光速时候所得出的的值。

文字版:天体的史瓦西半径等于万有引力常数乘以天体质量乘以二再除以光速的平方。

分类

按史瓦西半径对黑洞进行分类,包括原初黑洞、恒星级黑洞超大质量黑洞中等质量黑洞

在天体物理环境中,一个带电天体将被周围的等离子体迅速中性化。一般认为,带电的黑洞不大可能具有重要的天体物理意义。然而大体很可能是旋转的,所以由引力坍缩形成的黑洞一般也是旋转的。因此在天体物理中具有重要意义的是两种黑洞,即史瓦西黑洞克尔黑洞。按照黑洞质量大小可以把黑洞分为四种类型。

原初黑洞

起源于早期宇宙的密度涨落,原初黑洞的质量范围是太阳质量的一亿亿分之一到千万分之一。

恒星级黑洞

起源于大质量恒星的引力坍缩,其质量约为10个太阳质量左右。

超大质量黑洞

几乎在所有的星系中心都存在超大质量黑洞,例如在银心的人马座A-(SgrA-)就存在一个质量约为太阳质量的4百万倍的超大质量黑洞。

中等质量黑洞

这种黑洞的起源还很不确定,仅仅停留在假设上。中等质量黑洞存在的最强有力的证据来自儿个低光度的活动星系核,其中心黑洞的质量是太阳质量的一百万倍以内。另外极亮的X射线源中心黑洞的质量范围是太阳质量的几百到一千倍,也提供了存在中等质量黑洞的可能性。

组成划分

黑洞是已知的最强大和最神秘的天体,可以重塑整个银河系,扭曲时空结构。黑洞的引力极其强大,使得视界内的逃逸速度大于光速。科学家认为,黑洞的本质是一个“奇点”以及包裹着这个奇点的“事件视界”,奇点和它的视界范围是一个整体,因为黑洞周围的视界本身就是因为奇点的诞生随之出现的一种现象。按组成来划分,黑洞可分为暗能量(DE)和物理黑洞(BH)两大类。

暗能量黑洞

暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成,它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转,其内部产生巨大的负压以吞噬物体,从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础,也是星团星系团形成的基础。暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那样大。

物理黑洞

物理黑洞由1颗或多颗天体坍缩形成,具有巨大的质量。当1个物理黑洞的质量等于或大于1个星系的质量时,称为奇点黑洞。物理黑洞的体积非常小,可缩小到1个奇点。

物理性质划分

物理性质划分可以将黑洞分为4类:不旋转不带的黑洞,即施瓦西黑洞;不旋转带电黑洞,即所谓的R- NBH施瓦西黑洞;旋转不带电黑洞,即所谓的克尔黑洞;一般黑洞,也称为克尔一纽曼黑洞。

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