黑洞是什麼？如何形成的？以及我們如何利用它們的力量？
引力是我們所知的將宇宙維繫在一起的四種基本物理力之一(與電磁力、弱核力和強核力一起)，是我們每天都能看到和感受到的影響。在最高的層次上，它是一種力量，負責我們的世界的可見結構，太陽系，銀河系，以及我們用望遠鏡所能看到的整個宇宙。
也許沒有任何地方的引力能像我們現在所說的黑洞那樣充分地展現出來。德國物理學家卡爾·史瓦西(KarlSchwarzschild)採用愛因斯坦的廣義相對論，並在1916年首次用它建立了描述黑洞的數學公式。直到1958年，美國物理學家大衛·芬克爾斯坦(DavidFinkelstein)才向我們提出了黑洞的現代概念，即在太空中存在一個真正的「黑洞」——這個地方的引力如此之大，以至於任何物質都無法逃脫，甚至光粒子也無法逃脫。
廣義相對論的愛因斯坦場方程（EFE）可以表示為：
Rμν-1/2Rgμν=8πGTμν
Rμν是里契曲率張量，R是標量曲率，gμν是度量張量，G是牛頓的引力常數，Tμν是能量張量。張量描述了時空中物體的幾何形狀。
可以用史瓦西半徑方程的數學形式表示黑洞：
Rs=2GM/c
這裡，Rs是史瓦西半徑，G是萬有引力常數，M是恆星的質量，c是光速（每秒186,000英里）。
離我們最近的黑洞可能是麒麟座V616，距離我們近2800光年。
我們自己的太陽的質量還不足以形成黑洞。在大約50億年的時間裡，太陽將耗盡其氫燃料，首先慢慢膨脹成一顆較冷的紅巨星，它將包圍內部的4顆行星，然後坍縮成一顆暗淡的白矮星，最終「溶解」成一個星雲。
然而，質量比太陽大20多倍的恆星在來世還有另一個機會：變成黑洞。與較小的恆星一樣，這些巨大的恆星也會在宇宙時間內通過將氫聚變成氦而耗盡氫。當氫消失後，恆星會融合氦，不斷地，通過更重的元素，比如鐵，直到聚變不再產生足夠的能量來支持恆星的外層。這些層向內坍塌，產生了被稱為超新星的巨大恆星爆炸。
在銀河系中，每50年左右就有一顆恆星變成超新星。在獵戶座，被稱為參宿四的恆星被認為是超新星的一個很好的候選者。它距離地球約430光年，距離地球太遠，不會對地球生命造成任何傷害——我們需要在50光年以內才會擔心輻射——但它將成為我們夜空中除月球以外最亮的物體。
在這次巨大的爆炸之後，愛因斯坦的方程預測，如果太陽的質量仍然保持在原來的3倍以上，引力將足以使它重新坍縮，形成一個奇點：一個密度無窮大的無限小的空間點。這就是黑洞。
任何有質量的物體，包括光，在黑洞靠近時都會被拉向黑洞。如果質量足夠接近黑洞，它就會螺旋下降進入黑洞，最終增加質量並使其增長。這種「航線臨界點」被稱為事件視界。
Althoughyouwouldn』tnoticeanythingparticularasyoufellintoablackhole,someonewatchingyoufromadistance,wouldneverseeyoucrosstheeventhorizon.Instead,youwouldappeartoslowdown,andhoverjustoutside.Youwouldgetdimmeranddimmer,andredderandredder,untilyouwereeffectivelylostfromsight.Asfarastheoutsideworldisconcerned,youwouldbelostforever.—StephenHawking
雖然當你陷入黑洞時，你不會注意到任何特別的事情，但有人從遠處看著你，卻永遠不會看到你穿越事件視界。相反，你似乎會減速，並在外面盤旋。你會變得越來越暗，越來越紅，越來越紅，直到你完全看不見為止。就外界而言，你將永遠失去。——史蒂芬霍金
錢德拉X射線天文台太空望遠鏡自1999年以來一直在距地球65,000英里的軌道上運行，它已經在我們星系的中央發現了許多黑洞的證據。我們銀河系中心的黑洞擴散理論在很長一段時間，也是認為幾乎每個螺旋的中心和橢圓星系包含被稱為一個超大質量黑洞——一個奇點可以等於數十億倍太陽質量。這個超大質量黑洞的位置對應於稱為人馬座A*的天文無線電波源。
雖然黑洞似乎是空的空間，但絕對不是。它們代表了宇宙中最龐大的一些質量集合，而它們所創造的這種「缺失」只是一種幻覺。由於巨大的引力，甚至光都不能逃離事件視界。然而，史蒂芬霍金爵士在20世紀70年代使用量子物理學來證明黑洞並不會不計後果的簡單地吃掉所有東西：它們還會產生後來被稱為「霍金輻射」的東西。
在20世紀後半葉，各種各樣的物理學家提出了一些收集這種霍金輻射的潛在方法，包括用「桶」接近視界或將超強弦放入輻射場。現代材料科學的局限性使得所有這些想法都純粹是理論上的，但隨著時間的推移和足夠的研發，我們或許能夠開發出既能承受黑洞引力，又能承受霍金輻射極高熱量的工具。
人們認為，隨著時間的推移，兩個或兩個以上超大質量黑洞可能會合併，產生一種極其強大的能產生能量的宇宙產物，稱為類星體。
除了簡單地利用黑洞的能量，我們或許有一天還能創造出微型黑洞作為能源：
therecouldbemuchsmallerminiblackholes.Thesemighthaveformedintheveryearlyuniverse,ifithadbeenchaoticandirregular.Ablackholeofthemassofamountain,wouldgiveoffx-raysandgammarays,atarateofabouttenmillionMegawatts,enoughtopowertheworld’selectricitysupply.Itwouldn』tbeeasyhowever,toharnessaminiblackhole.Youcouldn』tkeepitinapowerstation,becauseitwoulddropthroughthefloor,andendupatthecenteroftheEarth.Abouttheonlyway,wouldbetohavetheblackholeinorbitaroundtheEarth.—StephenHawking
可能會有更小的迷你黑洞。如果宇宙是混沌的、不規則的，它們可能形成於非常早期的宇宙。一個質量相當於一座山的黑洞，會釋放出x射線和伽馬射線，其速度約為1000萬兆瓦，足以為世界供電。然而，駕馭一個迷你黑洞並不容易。你不能把它放在發電站里，因為它會掉落到地球的中心。唯一的方法，就是讓黑洞繞地球軌道運行。——史蒂芬霍金
使用黑洞作為遠距離旅行的方式可能是我們利用這些現象的另一種方式。愛因斯坦—羅森橋（或稱「蟲洞」）的概念表明，時空中的兩個點雖然可能被許多光年分開，但可以通過它們之間的結構連接起來。蟲洞實際上是基於愛因斯坦場方程的解，因此符合廣義相對論，理論上是可行的：
雖然我們已經能夠找到黑洞存在的實際證據，但用目前的技術來證明蟲洞的存在是完全不可能的。要想證明這一潛在的超越性想法，唯一的方法可能就是嘗試讓一艘飛船穿過這樣一個可能的結構，這艘飛船的設計初衷是為了在進入黑洞前的嚴酷過程中倖存下來，無論是探測器還是載人飛船。然而，即使蟲洞確實存在於我們想要它存在的地方，但探測船可能會發現自己在數百或數千光年之外，讓一些滿懷希望的科學家在未來幾代人的時間裡確認這次任務的成功。
增進我們對黑洞的基本了解，以及對宇宙整體運作的基本了解，是我們這一代所能希望的最好結果。也許有一天，我們最終會發現一些最偉大的天文學奧秘的答案。在此之前，保護地球和人類應該是首要任務。
文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-mo/qf2oOXQBd8y1i3sJ-gp8.html