黑洞中的物質密度有多大?和你想的不一樣!把地球、太陽和宇宙壓成...

2021-01-07 科普大世界

由於黑洞本身的大小不同,它裡面的物質(其實更應該稱為能量)密度並不是一樣的,並且這個也是可以計算出來的。你相信越小的黑洞密度越大,越大的黑洞密度越小嗎?

關於黑洞的質量和體積的計算,有一個公式叫史瓦西半徑公式,就是專門用來計算黑洞的體積的,其計算公式為 R=2GM/C的平方。

史瓦西半徑公式

公式中R稱為事件視界,G為引力常數,M為黑洞質量,C為光速。計算出來就是黑洞的視界範圍的半徑,根據這個公式計算,如果把地球壓成一個黑洞的話,即M等於地球的質量,具體為5.977×10的27次方g,那麼黑洞的半徑R只有0.9,即為直徑1.8釐米的圓球,那麼這個黑洞看上去只是一個花生米大一點,相當於一顆大白兔奶糖那麼大,但是如果把太陽壓成一個黑洞的話,計算M為太陽質量(1.9891*10)的這個公式,那麼它的半徑是2948米,接近3公裡,也就是說如果太陽成為黑洞(實際上太陽的質量也不足以成為黑洞),那麼它的質量將相當於一個直徑六公裡的大球,但是太陽的質量只是地球的33萬倍,六公裡那麼大的體積放下33萬個花生米,很顯然是太富裕了,放下33億個都不止。所以這樣的數據看上去的話好像很不成比例,但是卻是符合理論推算和實際觀測情況的,這也說明,質量越大的黑洞,其內部空間的物質或者說能量的密度會更小。

更加讓人吃驚的是,如果用這個公式去計算整個宇宙如果變成黑洞會有多大?那麼如果按宇宙中有兩萬億個星系來算的話,把它按上面的公式換算成黑洞的體積,則會有1000億光年那麼大,但是科學家們在如今的天文觀測上發現我們的宇宙目前大概在460億光年的幅度上,這也就是說,如果一個黑洞的質量像宇宙這麼大的話,那麼這個黑洞會比我們的宇宙還大,但是我們的宇宙中除了星球之外仿佛都是真空,即使把所有的星球的物質都平攤出來,物質的密度也是非常稀薄的,而如果變成1000億光年那麼大的黑洞的話,無疑會變得更稀薄。

這可能讓人無法理解,因為我們一直都認為黑洞是密度無限小的一個天體,但計算結果和實際觀測卻並不是這樣,幾乎可以認為視界範圍越大的黑洞,其裡面的密度越小,視界範圍越小的黑洞的密度越大。為什麼會有這種情況出現呢?這就不得不講一講黑洞裡面的奇點了。

其實我們所說的黑洞的大小都是指它的視界範圍,就是光可以存在的臨界位置,一旦進入視界範圍,那麼光也會被吸入,什麼東西也看不到,因此我們看到的都只是表面上的黑洞,而在它的內部,黑洞的質量並不以物質的形式存在,而是以能量的形式存在,因為幾乎無法深入到黑洞內部去觀察,所以沒有人知道黑洞內部是什麼,黑洞中有奇點也是科學家們推論出來的。如果假設黑洞內部可能有一個奇點,那麼這個奇點會非常非常小,所有的物質和能量都集中到了這個小點上,正是它的質量決定了黑洞體積的大小,所以黑洞的物質密度很可能和它的視界範圍無關,而是和這個奇點有關。

比如剛才講到的,把地球壓成一個黑洞它會像花生那麼大的話,那麼這個奇點應該比花生還小得多,這樣的密度當然是非常非常大了。而如果把我們的宇宙壓成一個黑洞,雖然它的視界範圍比現在的宇宙還大,但是裡面的奇點能量球也可能會很小,至於有多小、還無法推測,不過我們將得到一個驚人的發現,就是這種推論或可以解釋宇宙大爆炸的來源,即如果用這種推論來解釋宇宙大爆炸理論,那麼我們的宇宙或就來自於先前一個超級大黑洞中的這個奇點能量球,其在某一時刻發生了未知的情況,導致了能量球失去了自身的平衡,從而發生了大爆炸,我們的宇宙即從此開始,逐步演變成了如今的宇宙的樣子。

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    由於黑洞本身的大小不同,它裡面的物質(其實更應該稱為能量)密度並不是一樣的,並且這個也是可以計算出來的。你相信越小的黑洞密度越大,越大的黑洞密度越小嗎?關於黑洞的質量和體積的計算,有一個公式叫史瓦西半徑公式,就是專門用來計算黑洞的體積的,其計算公式為 R=2GM/C的平方。
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    這個世界已經沒有比黑洞密度更大的物質了。當然黑洞的密度主要集中在其中心奇點上。那個奇點已經不是我們這個世界的物質,而是一個超越了我們四維時空的超時空狀態,被認為體積無限小。既然這個體積無限小,也就是不知道有多小。
  • 地球變成黑洞半徑只有9毫米,宇宙變成黑洞有多大?你可能想錯了
    在所有的宇宙天體種類中,黑洞可以說是最難理解又最為神秘的天體,它的引力場強到連秒速30萬公裡的光都無法逃脫,任何物質只要來到它的視界邊緣,必然會被吸入到它那無盡的深淵中。
  • 黑洞是宇宙中密度最大的天體嗎?不!你關於黑洞的知識可能是錯的
    當提到密度最大的時候,我們總是想到黑洞,因為在很多的科普書裡,都仿佛告訴我們黑洞是宇宙中密度最大的天體,甚至在很多人的印象中,黑洞就是一個密度無限大的天體。而視界的半徑並非是無限小的,因此它的密度也並不是無限大。根據科學家的估算,一顆一倍太陽質量的白矮星的半徑約為數千公裡,而一顆1倍太陽質量的中子星半徑則只有約10公裡,一個1倍太陽質量的黑洞半徑則只有約3公裡。看起來黑洞跟中子星的大小差不太多,在同一個量級,因此照這麼看,黑洞依然是宇宙中密度最大的天體。
  • 超級黑洞可以浮在水面上?黑洞沒有裸奇點,但和你想像的不一樣!
    黑洞是宇宙時空破裂的地方,相當於你用一根極細的針,在宇宙時間和空間中戳了一個洞,然後物質就源源不斷地漏進去,無論你如何填,拿多少物質去填,都無法填滿時空中這個小小的針眼,只會讓它的質量越來越大。 所以黑洞是個極小卻密度極大的點,怎麼可能浮在水面上呢?
  • 超級黑洞可以浮在水面上?黑洞沒有裸奇點,但和你想像的不一樣
    黑洞是宇宙時空破裂的地方,相當於你用一根極細的針,在宇宙時間和空間中戳了一個洞,然後物質就源源不斷地漏進去,無論你如何填,拿多少物質去填,都無法填滿時空中這個小小的針眼,只會讓它的質量越來越大。視界既然是一個球形,當然就有體積,黑洞又有巨大的質量,所以黑洞的密度我們可以視為黑洞的質量除以視界內的體積,這個密度究竟有多大呢?
  • 宇宙大爆炸中的奇點和黑洞中的奇點是一樣的嗎?
    因此,黑洞奇點如果發生爆炸,也與宇宙大爆炸截然不同,因為宇宙大爆炸是各向同性的,而黑洞奇點大爆炸無法做到這一點,因為它是處在四維時空裡面,它的爆炸是有中心的,而它周圍的時空完全程度本來就存在差異,也就是一開始,離奇點越近彎曲越嚴重,這樣即使奇點不爆炸,也不存在各向同性,而在爆炸以後,能量密度也是以中心往外輻射,同樣不存在各向同性。
  • 把整個宇宙壓縮成一個原子核密度,尺寸會有多大?
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    ——史蒂芬·霍金今天要說一個既深刻又有趣的問題,先說一段話:宇宙誕生於一個熾熱、稠密、體積很小的初始狀態!這段話不陌生吧,翻來覆去說了很多遍,這就是描述宇宙熱大爆炸的開始階段。那麼聽到這段話大家有沒有想到一個問題:宇宙開始於密度極高的物質區域,為啥沒有坍縮成一顆黑洞?
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    中子星密度是水的100萬億倍,若地球壓成中子星,體積將會多小?密度可以說是物理學中重要的物質屬性,我們都知道密度的計算公式是質量除以體積,那麼宇宙天體中密度最大的天體之一的中子星其密度有多大呢?假如把地球壓縮為中子星那樣的密度,地球的體積又會小到怎樣的程度呢?讓我們聽聽科學家怎麼解釋的吧!首先讓我們先介紹下大密度天體的常客「黑洞」,早在18世紀數學家、物理學家拉普拉斯就表示,一個具有與地球同樣密度,而直徑是太陽250倍的天體,它發射的光線將被自身的引力吸引,其發射的光線將不會被我們看到,因此宇宙中最明亮的天體很可能是看不見的。
  • 科學大課堂:黑洞有多大?
    沒有了核聚變的光壓來壓制恆星的質量,外層的物質瞬間向內壓縮。恆星死了,像超新星一樣猛烈地爆炸。留下的只是一個黑洞。黑洞的質量大約是太陽的三倍,然後從那裡開始上升。黑洞越多,就越大。可怕的是,如果給它足夠的時間,黑洞所能消耗的物質是沒有極限的。最巨大的黑洞是位於星系中心的黑洞 這些是超大規模的黑洞,比如銀河系中心的410萬質量的黑洞。天文學家通過觀察恆星繞銀河系中心的運動來推測其質量,就像彗星繞著太陽轉一樣。
  • 如果讓宇宙中所有原子的原子核和電子緊挨著、不留空隙,有多大?
    一,宇宙在宏觀和微觀上確實有空隙中子星的密度大得驚人,為10^11千克/立方釐米,即每立方釐米1億噸,相當於一個花生米大小的物質重達1億噸。但是如果想把電子壓進質子,然後把全是中子的原子核緊緊挨在一起需要很大的力量,形成這種狀態或類似的狀態需要特定條件。就目前人類的認識,這種狀態是大質量恆星的最終演化產物,可以說原子收縮的過程就是相應質量的恆星演化的過程,下面我們簡單作一介紹。
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    當太陽上的核聚變被推進到碳或氧之後,太陽便會在自身的引力作用下向中心坍縮,物質被不斷擠壓,密度持續提升,最後會成為一顆極為緻密的白矮星。那麼這顆緻密的白矮星的密度到底有多大呢?白矮星的密度並不一致,這是因為質量越大的白矮星,它的引力作用就越大,密度自然也就越大,不過最小的白矮星,它的密度也能夠達到每立方釐米100公斤,而最大的白矮星的密度甚至可以達到每立方釐米10噸,如此緻密的物質,在地球上是無法找到的。雖然在地球上找不到如白矮星一般緻密的物質,但是在宇宙之中,比白矮星更加緻密的物質卻廣泛存在著,而其中密度最高的就要數中子星了。
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    那麼這顆緻密的白矮星的密度到底有多大呢?白矮星的密度並不一致,這是因為質量越大的白矮星,它的引力作用就越大,密度自然也就越大,不過最小的白矮星,它的密度也能夠達到每立方釐米100公斤,而最大的白矮星的密度甚至可以達到每立方釐米10噸,如此緻密的物質,在地球上是無法找到的。