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在1916年,当广义相对论刚刚提出来的时候,Karl Schwarzschild解出了爱因斯坦方程一个有用的解去描述时空几何的进化。这个解是时空的一种可能,它可以描述一个球形对称的、不带电的、不自转的物体之外重力的影响(同时甚至可以大致描述缓慢自转的星球如地球或者太阳)。如果你想做的只是描述地球表面之外的重力,那么你可以把地球看做一个质点来运用牛顿重力方面的知识,这样的话它们的工作原理非常相似。

什么是黑洞?大名鼎鼎,但真的存在吗?

这个解很像一个度量单位,它归纳了毕达哥拉斯公式,给出了星球上一个线段的长度。这个单位是一个公式,可以被用来得到时空中曲线的长度。在一个物体随着时间流逝移动形成曲线这个情况中(一个“类时时间线”),由这个单位算出来的长度实际上是这个物体随着移动经历了的时间。实际上这个公式取决于选择哪一个参考系去描述事物,但是转变不同的参考系并不会影响任何物理性质比如时空曲率。

Schwarzschild根据一个距离物体非常远的参考系来描述他的单位,与有着一个额外的时间参考系t的球形参考系类似。另一个叫作r的坐标系用作一个远距离的辐射状参考系,在那里它给出了距离这个巨大的物体的距离。

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现在,在小半径中这个解开始变得奇怪。在中心有一个奇点半径为0,这里的曲率是无限的。在它周围有一块区域中增加的半径方向是在时间上而不是在空间上。在这块区域中的任何事物包括光都不得不进入奇点就像是被不受控制增长的潮汐力挤压。

这个区域通过Schwarzschild坐标爆炸的地方与宇宙其他部分隔离开来,尽管这里时空的曲率也没有什么不对。(这被叫做Schwarzschild半径。之后,其他大爆炸没有发生的坐标系也被发现。这是一个坐标系的加工品,有点像如何定义北极经度的问题。关于Schwarzschild半径真正重要的问题不是关于坐标系的而是在这其中指向洞的方向变成了时间上的方向)

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同时,没有人真正地去怀疑这个问题,因为已知的星球内部都没有足够的密度导致其在外面,所以在所有已知的情况中,这个奇怪的部分并不存在。Arthur Stanley Eddington考虑到一个将要消失的星球坍塌到这个密度的可能性,但是又由于美学上的不足否定了它,然后提出一些新的物理发现需要出面了。在1939年,Oppenheimer和Snyder很正式地提出一种可能性,他们认为比太阳更大几倍的星球可能最终会坍塌到这样一个状态。

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一旦这样的一个星球变得比Schwarzschild参考系失效的地方更小(这叫做一个不带电不自转的星球的Schwarzschild半径,或者是黑洞边界),它就一定会坍塌。它一定会坍塌到奇点就如同你无法阻止我们去往未来。在这之后任何进入这个区域的事物都不能避免这一点,至少是在这个简单的例子中。黑洞边界就是无法返回的一个临界点。

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1971年,John Archibald Wheeler把它命名为黑洞,因为即使是光也无法逃逸。宇航员们基于不同种类的证据有很多他们认为是黑洞的备选星球。一般情况下它们都是黑色的星球,它们很大的质量可以通过它们对于其他星球的重力影响推断出来,它们有时候会发射X射线,这是根据掉入物体加速的现象推测来的。我们这里说到的黑洞的特性是根据广义相对论,这个理论很好的被现有证据支撑。

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然而,它们完全是理论上的,并不包括量子力学可能带来的影响。这种有着奇怪特征的过分简单的黑洞是否存在还存在疑问,而且应用于极端情况的物理理论也很难检测与进化。据说新理论从来没有被这样接受,只是旧的已经绝迹,而新的一代人还什么都不知道。所以这就是有关黑洞的一些东西。在今天的年轻科学家眼里黑洞的存在是理所应当的,但是有一个事实必须知道,那就是还没有一个黑洞真正地被发现。

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