黑洞是体积无限小、质量无限大的奇点,那为什么黑洞会有视界大小之分?

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在所有的宇宙天体种类中,黑洞可以说是最难理解又最为神秘的天体,它的引力场强到连秒速30万公里的光都无法逃脱,任何物质只要来到它的视界边缘,必然会被吸入到它那无尽的深渊中。



黑洞的视界边缘也被认为是黑洞的体积外表,也就是被黑洞物理上的表面,但是这个表面并不是有固态物质可以衡量的,而且是看不见的,它只是关于黑洞体积的一种定义,即光线无法逃逸出黑洞引力场的地方,在这个边缘的外面,物质因为有光可以发出,所以还是可见的,但是在这个边缘的内部,光等物质永远无法逃脱出来,所以一切都是不可见的,黑洞的内部是看不到的。


那么黑洞里面到底有什么呢?没有人真正知道,一般的科学理论认为黑洞中间会有一个奇点,这个起点是体积无限小密度无限大(不是质量无限大),我们所知晓的物理定律在它这里都将失效。

不过黑洞就是再奇葩,它也只是宇宙中的一种天体,它也是有自身质量的,而黑洞的质量又决定了它自身体积(视界体积)的大小,有一个叫做“史瓦西半径公式”的物理公式,就是专门来计算黑洞的体积(视界体积)大小的,其公式如下:



在上面的公式中,v指天体的逃逸速度,G为万有引力常数,M为天体质量,R为天体质心与被吸引物体质心的距离,物体的速度如果小于一个天体的逃逸速度,那么它就不能摆脱其引力束缚,也就会被该天体吸引,从而无法脱离轨道逃逸到星际空间。于是从中就能得出天体的史瓦西半径,即为逃逸速度等于光速时候所得出的R的值,以黑洞来说,它的史瓦西半径等于万有引力常数乘以其质量乘以二再除以光速的平方,所计算出来的史瓦西半径,指的就是从黑洞中心向外的史瓦西半径长度的距离上,正是光线无法逃脱出黑洞引力场的位置。





若用这个公式来计算不同天体变成黑洞的体积,就会发现质量越小的天体其史瓦西半径(此处也可以理解为黑洞的视界体积)越小,质量越大的天体其史瓦西半径越大,而且不成比例,比如如果将地球这样质量的物质变成黑洞的话,那么它的史瓦西半径只有0.9厘米,而如果将太阳这样质量的天体变成黑洞的话,它的史瓦西半径将达到三公里那么大,但是太阳的质量只有地球的33万倍,体积只有地球的130万倍,然而半径三公里的球体放下几十上百万个半径0.9厘米的小球是远远不止的,放下几十百亿个都不成问题,而如果将整个宇宙的物质化作一个黑洞的话,那么它的视界体积比我们的宇宙还大,因此也有人怀疑我们是不是处在一个巨型黑洞之中。



科普大世界


首先,题主对黑洞的理解有误。黑洞是由中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小,热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区所组成的。不同的黑洞,具有不同的质量,而黑洞的质量,直接决定了黑洞的史瓦西半径,也即事件视界的大小。

黑洞的事件视界

事件视界,是一种时空的曲隔界线。视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在黑洞周围的便是事件视界。在非常巨大的重力影响下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。

大小为史瓦西半径的物体表面便是一个不转动的黑洞的事件视界(转动的黑洞的行为稍有不同)。一个物体的史瓦西半径正比于其质量。

所以,黑洞的质量越大,它的史瓦西半径也越大,事件视界也越大。

最小的黑洞

XTE J1650-500是人类至今发现的最小的黑洞,它的史瓦西半径仅有12千米,有着相当于5至10倍于太阳的质量。

最大的黑洞

人类至今发现的最大黑洞是SDSS J140821.67+025733.2,其质量为太阳的180亿倍。

以上是我对问题“黑洞是体积无限小、质量无限大的奇点,那为什么黑洞会有视界大小之分?”的问题,欢迎大家在评论中与我交流讨论。


奥秘365


黑洞并不是如题主说的体积无限小,质量无限大的奇点。题主的这个描述适合于宇宙大爆炸起始的那个奇点。



黑洞是一个具有质量的天体,一般来说其质量不小于3.2个太阳质量,其上限则不限。由于黑洞的质量极大,使得其逃逸也非常大,根据离黑洞奇点的距离不同,其逃逸速度也不一样。刚好有一个距离的逃逸速度恰好是每秒30万千米,也就是光速。这个距离就叫做“史瓦西半径”。

其中:rs为史瓦西半径,G为万有引力常数,c为光速,为天体质量

这个半径可以通过上面这个公式计算出来。一旦进入了这个半径之类连宇宙中速度最快的光都逃不出来,几乎永远都消失在这个宇宙之中了。



实际上,从这个公式也可以看出,任何质量都有史瓦西半径。是的,甚至是一个质子都能形成黑洞,这就是量子黑洞。但由于质量越小其霍金辐射也越强烈,对于这种量子黑洞,在它产生的一瞬间就被霍金辐射蒸发完了。而一些超大质量黑洞则需要10∧90年才会被蒸发完,几乎能与宇宙同寿。

黑洞质量越大,其密度就越小,有的超大质量黑洞的密度甚至比空气还小。有兴趣的朋友可以根据上面的那个史瓦西半径公式推导一下。


讲科学堂


因为黑洞并不是质量无限大啊。

谁给你说黑洞是质量无限大了?不知道是你看了劣质地摊文学还是没注意看错字了呢。

黑洞的奇点,是体积无限小,密度无限大,质量是有限的,并且可以计算出黑洞的质量。

实际上,黑洞的形成和质量完全没有关系,而是和物体的体积(密度)有关。

中学都学过万有引力的定律吧:



我们可以看到,两个物体之间的万有引力的大小,不仅仅和质量有关,还和距离R有关。

距离越近,万有引力就越大!离物体越近,就越难逃离这个物体。

所以我们根据万有引力定律,就可以计算出物体的逃逸速度



也就是说,只有一个物体的速度超过v,才有可能脱离另外一个物体的引力。

根据公式可以看出来,半径R越小,逃逸速度就越快。当逃逸速度v大于光速的时候,这就代表连光都逃逸不出去了,这就是黑洞。

当,v等于光速c时,根据上面一个公式,我们各自计算出一个半径。



这个半径就叫做史瓦西半径,也就是说当你处于史瓦西半径之外,不管物体质量有多大,你都可以逃的出去,如果在史瓦西半径之内,连光都跑跑不出去。

史瓦西半径,就是黑洞的视界。

所以,任何物体,不管质量有多大,只要是被压缩到史瓦西半径之内,就会形成黑洞。可见,天体的质量越大,史瓦西半径就越大。

地球也有半径。把地球质量带入上面的公式。可以计算出地球的史瓦西半径是9毫米。 也就是说,如果你能把地球压缩到9毫米之内,那么地球就形成了一个9毫米的小黑洞。

但实际上,物体并不能自由的变换体积。我们中学学过,物体之所以占有一定的体积,是因为分子之间的作用力来支撑的。

如果你压缩物体的力大于分子力,就会把分子压碎,形成了原子晶体。

而原子质量由于存在电磁斥力,阻止你进一步压缩。

如果你压缩的力比原子之间的电磁力还大,就会破坏原子结构,把电子全部压到原子核里边去,并且原子核里的质子和电子结合,形成中子。最终物体就会形成一个全是中子的结构,这就是中子星。

此时,中子之间还存在一种对抗的力量,叫做费米简并压力。我们知道任何有质量的粒子,都会占有一个基本的空间,两个有质量的粒子,是不能靠的太近的,有质量的粒子会相互对抗,这个对抗力就是简并压。

简并压是物质的最后一道防线,正是简并压保证了物体都具有一定的体积。一旦压缩的力比简并压还大,那就会形成物质的大坍塌,因为再也没有任何力能阻止物质体积不断弱小了。

一旦发生了大坍塌,物质体积就会不断地弱小,最终变得无限小。也就是体积V无限趋于0,实际上,这就是一个点,这个点就是奇点。

这就是奇点体积无限小,密度无限大的原因,是因为物质在无法占有体积。

但这并不是说质量无限大,并不存在什么无限大质量的黑洞,所有黑洞都是有一定的质量的。不同质量的黑洞,就会有不同大小的视界。


shawn25


不应有这样结论性的提问。拿参宿四来参照一下子吧,它的质量要远远大于太阳,未来某一时刻会爆发而成为超新星,爆炸后会拋弃外壳,而内部会因强大引力和压力迅速坍塌龟缩为一点,这个点体积是多大?质量是多大?无法观测和计算只能推测,肯定不会是无限小到无。也就是说它是有一定体积和质量的。天文学定义:只有大于三倍太阳质量的恒星爆发后才会形成黑洞。所以根据恒星生前质量大小不同,爆发后产生的黑洞内部点的体积和质量大小应有区别。正因如此可以通过黑洞形成的大小不同视界而反推出它内部点的体积和质量大小。当然只是比较此大彼小,而真正的体积和质量目前无法测量。


用户59775889663


这个问题你不觉得矛盾吗?既然有大小,就不是奇点,反之既然是奇点,就没有大小,互相矛盾的问题尽量别提,令人耻笑。

黑洞是个天体,不是奇点,是球体,而且是实均匀心球,不是密度无限大,体积无限小,在宇宙中的任何天体及事件都不要冠以“无限”二字,是违背宏观物质科学道理的,也是无知的。

黑洞的质量有大有小,所以体积就有大有小,它的视界事件当然也是有大有小的,这再平凡不过的道理,也拿来展示,实在是悲哀。


云游27272727


黑洞与奇点风马牛不相及!奇点只是霍金在宣传宇宙大爆炸时提出的一个概念,宇宙中是否真的存在奇点还很难说,不要什么都跟奇点牵扯到一起!现在主流观点认为的黑洞是超大质量恒星死亡后的尸体,仍然是星球的一种,至于说它的质量和体积究竟怎么样,还需要在科技进步的情况下继续探测。


昊田2


黑洞是一种天体,我还是第一次听说,黑洞是什么科学上还不知道,黑洞既然可能是奇点,还能是天体吗?现在就下结论说黑洞是天体,不符合实证科学精神,惯性思维,用知道解释不知道的。


Benjamin599


黑洞不可能太小,太小就根本不能形成黑洞。黑洞也不是奇点,二者相差最少有万亿的数量级。


果果129441969


视界 先把这两个字认识一下


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