史瓦西半径

✍ dations ◷ 2025-09-06 18:13:39 #史瓦西半径
史瓦西半径(Schwarzschild radius)是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。在物理学和天文学中,尤其在万有引力理论、广义相对论中,它是一个非常重要的概念。1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在,这个半径是一个球状对称、不自转又不带电荷的物体的重力场的精确解。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(如简并压力)可以阻止该物质自身的重力将自己压缩成一个奇点。对符合条件(即不自转、不带电)的任何物体的史瓦西半径皆与其质量成正比。理论上,太阳的史瓦西半径约为3公里,地球的史瓦西半径只有约9毫米。一个不少于3.2个太阳质量的星体一旦坍缩至小于它的史瓦西半径便会因为自身重力坍缩成为一点,从而变成黑洞。对于一个已经形成的黑洞来说,若将史瓦西半径内的物质看作一个系统,则该系统内的任何物质都无法逃逸出该半径之外。换句话说,该半径也是不带电荷无自转黑洞的视界,光和粒子均无法逃离这个球面。由于黑洞的无毛性(即我们无法得到有关黑洞内部的有效信息),再加上目前所知的科学定律在史瓦西半径内均会失效,因此我们无法观测或者预测史瓦西半径内的事件。也就是说,我们无法确切知道黑洞内是否存在一个由某种物质组成的球体,如果存在的话,其球体的半径是多少。正因如此,视界通常被认为是黑洞的表面。又因为黑洞视界本身并不好直接测量,史瓦西半径等类似方法就作为估算视界半径的方法。银河中心的超大质量黑洞的史瓦西半径估计约为780万公里。一个平均密度等于临界密度的球体的史瓦西半径等于我们的可观测宇宙的半径,也就是说如果可观测宇宙的平均密度为临界密度,其本身可被理解为一个黑洞。然而,旋转黑洞、带电荷黑洞及旋转并带电黑洞的解则较为复杂,在不同的条件下,它们可以有两层、一层或者甚至没有视界(裸奇点)。一个物体的史瓦西半径与其质量呈正比,其比例常数中仅有万有引力常数和光速出现。史瓦西半径的公式,其实是从物件逃逸速度的公式衍生而来。它将物件的逃逸速度设为光速,配合万有引力常数及天体质量,便能得出其史瓦西半径。当中,把常数的数值计算,这条公式也可写成r s {displaystyle r_{s}} 的单位是“米”,而 m {displaystyle m} 的单位则是“千克”。要注意的是,虽然以上公式能计算出准确数值,但需透过广义相对论才能够正确推导出史瓦西半径。有人认为牛顿力学及广义相对论能导出相同结果,纯粹是巧合而已,但也有人认为这暗示着尚未被发现的理论。下述为上式以经典力学为依归的推导过程,虽然结果与用广义相对论得出的解不谋而合,也不能视为正确,因牵涉到光速,而必须作相对性的修正,仅供参考。设一物体 a {displaystyle a} 质量为 m a {displaystyle m_{a}} ,想摆脱一质量为 m {displaystyle m} 、半径为 r {displaystyle r} 的星体的引力场,飞到无限远处,开始时该物体在星体的表面上。因此,它的动能必须大于重力势能移项后得出此时,上式的 v {displaystyle v} 就是物体 a {displaystyle a} 的脱离速度。若该星体是一个黑洞,而物体 a {displaystyle a} 刚位于它的视界之上,则此刻,其脱离速度必为光速 c {displaystyle c} ,所以把②与③代入①得整理后再改写成由此结论可知:当把星体视为完美球体可得体积为V= 4 3 π ( 2 M G c 2 ) 3 {displaystyle {frac {4}{3}}pi left({frac {2MG}{c^{2}}}right)^{3}}而密度的临界值 D= 3 32 c 6 π M 2 G 3 {displaystyle {frac {3}{32}}{frac {c^{6}}{pi M^{2}G^{3}}}}所以当 D ≥ 3 32 c 6 π M 2 G 3 {displaystyle geq {frac {3}{32}}{frac {c^{6}}{pi M^{2}G^{3}}}} 时·星体会因为重力坍缩而变为黑洞。从以上结论不难得知其星体的质量越大,密度的临界值会越低。假如一个天体的密度为1000千克/立方米(水在普通条件下的密度),而其质量约为1.5亿个太阳质量的话,它的史瓦西半径会超过它的自然半径,这样的黑洞被称为是超大质量黑洞。绝大多数今天观察到的黑洞的迹象来自于这样的黑洞。一般认为它们不是由星群收缩碰撞造成的,而是从一个恒星黑洞开始不断增长、与其它黑洞合并而形成的。一个星系越大其中心的超大质量黑洞也越大。假如一个天体的密度为核密度(约1018千克/立方米,相当于中子星的密度)而其总质量在太阳质量的三倍左右则该天体会被压缩到小于其史瓦西半径,形成一个恒星黑洞。小质量的史瓦西半径也非常小。一个质量相当于喜马拉雅山的天体的史瓦西半径只有一奈米。目前没有任何可以想象得出来的原理可以产生这么高的密度。一些理论假设宇宙产生时会产生这样的小型黑洞。

相关

  • 企业企业是组织众多个人开展经济活动的一种方式。企业在现代汉语中的基本用法,主要指独立的盈利性组织,并可进一步分为公司和非公司企业,后者如合伙企业、个人独资企业、个体工商户
  • 牙部,为汉字索引中的部首之一,康熙字典214个部首中的第九十二个(四划的则为第三十二个)。就繁体和简体中文中,牙部归于四划部首。牙部通常是从下方均可为部字。且无其他部首可用
  • HE染色苏木精-伊红染色,又称苏木素-伊红染色或“H&E染色”(hematoxylin and eosin stain、H&E stain),是组织学最常用的染色方法之一。这种染色方法的基础是组织结构对不同染料的结合
  • 人体润滑剂“人体润滑剂”是有别于机械使用,特别为人体设计的润滑剂。有分为水基、油基、硅基等种类。个人用润滑剂(personal lubricant)通常用在插入式性行为中,在阴茎插入阴道或肛门时可
  • 温斯乔火灾坐标:54°25′27″N 3°29′54″W / 54.4243°N 3.4982°W / 54.4243; -3.4982温斯乔火灾(英语:Windscale fire),是指1957年10月10日,在英国坎伯兰(现坎布里亚郡塞拉菲尔德(英语:Sell
  • 鹿类鹿科,是偶蹄目反刍亚目下的一科,目前全世界约有34种。其中包括白尾鹿、骡鹿、加拿大马鹿、驼鹿、红鹿、驯鹿、黇鹿、西方狍等。所有的公鹿(除了獐外)及母驯鹿头上长有角并每年更
  • 炔酮在有机化学中,炔酮(英语:ynone)是指结构为 R1C≡C‒C(=O)R2 (其中R2 ≠ H) 的化合物,其中C≡C三键位于羰基(C=O)官能团的α和β位,如茵陈二炔酮是天然存在的一种炔酮。合成炔酮的
  • 联外桥梁台北市联外桥梁列表介绍台北市与新北市的互联桥梁。台北市因为淡水河系环绕,与新北市间的交通往来大多有赖桥梁衔接;此外阳明山北面,阳金公路一带则为磺溪水系。桥梁的命名如同
  • 纳斯卡板块纳斯卡板块,或译纳兹卡板块,以秘鲁南部的纳斯卡地区命名。它是南美洲西岸以外东太平洋中的一个大洋板块。在1968年勒皮雄首次提出的六大板块中,它是南极洲板块的一部分。纳斯卡
  • 教父2《教父2》(英语:The Godfather Part II)是一部1974年上映的美国黑帮电影,导演及监制是弗朗西斯·科波拉,与马里奥·普佐合共编剧,改编自普佐的1969年小说《教父》。因前作1972年《