黑洞與廣義相對論的關係
黑洞與廣義相對論有著密切的關係，因為黑洞的存在和特性正是基於廣義相對論的預測和描述。廣義相對論是愛因斯坦於1915年提出的一種描述重力的理論，它將重力解釋為由質量和能量彎曲的時空，而黑洞是這種彎曲到極致的結果。
廣義相對論預測了黑洞的存在：
廣義相對論的場方程描述了質量和能量如何影響時空的幾何形狀。根據這些方程，當一個天體的質量集中在極小的體積內時，時空的彎曲會變得非常劇烈，形成一個所謂的「事件視界」（event horizon）。事件視界是一個邊界，一旦物質或輻射越過這個邊界，它就無法逃脫黑洞的引力。
1916年，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）首次解出了愛因斯坦場方程的一個特殊解，這個解描述了一個不旋轉且不帶電的黑洞，稱為史瓦西黑洞。這是最早的黑洞理論模型，證實了廣義相對論下黑洞的理論可能性。
黑洞的性質符合廣義相對論的描述：
廣義相對論預測了黑洞的許多特性，包括事件視界、奇點（singularity）、引力時間膨脹、以及強大的潮汐力等。
奇點是時空曲率無限大的一點，根據廣義相對論，在黑洞中心的奇點，物理定律失效，時空達到無限彎曲。這一點是廣義相對論預測的極端情況，超出了經典物理的範疇。
事件視界是黑洞的邊界，一旦進入這個區域，任何事物（包括光）都無法逃脫。這一概念源自廣義相對論對光和其他物質在極端引力場中行為的描述。
廣義相對論解釋黑洞的引力效應：
根據廣義相對論，引力不是由物體之間的「力」引起的，而是由質量引起的時空彎曲效應。黑洞的強大引力正是因為其質量極大且集中，導致時空彎曲到極致。
在靠近黑洞的地方，時空彎曲非常強烈，這會導致顯著的引力紅移和時間膨脹效應。根據廣義相對論，在靠近黑洞事件視界附近的觀察者所測量到的時間流逝會比遠離黑洞的觀察者所測量到的慢。
觀測證據支持廣義相對論對黑洞的預測：
多項天文觀測支持了廣義相對論對黑洞的描述。例如，2019年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）拍攝到**人馬座A*（Sagittarius A*）**超大質量黑洞的陰影，這一觀測結果與廣義相對論的預測非常一致。
此外，LIGO和Virgo引力波探測器在2015年首次探測到的引力波信號，來源於兩個黑洞的合併，這一現象也符合廣義相對論的預測，進一步支持了黑洞和廣義相對論的關係。
黑洞對廣義相對論的意義
檢驗廣義相對論的極限：
黑洞提供了一個極端的引力場，這是測試廣義相對論在強引力條件下適用性的理想環境。觀測和研究黑洞行為可以幫助科學家檢驗廣義相對論的預測，甚至在其預測失效或需要修正的地方找到新的物理。
促進理論物理的發展：
黑洞的研究促進了量子引力和宇宙學等領域的發展。尤其是，如何將廣義相對論和量子力學統一，從而在黑洞奇點和事件視界等極端環境下適用，這一問題仍然是當代理論物理學的重大挑戰之一。
揭示宇宙的基本結構：
黑洞的性質和行為為我們提供了關於宇宙基本結構的關鍵線索，幫助我們更好地理解宇宙的演化、物質的本質以及重力的本質。
總結來說，黑洞和廣義相對論之間的關係非常密切，黑洞的存在和特性正是廣義相對論的理論預測的驗證。黑洞的研究不僅驗證了廣義相對論，還推動了物理學的進一步發展，特別是在極端條件下的重力和時空理論方面。
黑洞是如何產生的
黑洞是一種極端的天體，具有強大的引力場，使得任何物質或輻射（包括光）都無法逃脫其引力。黑洞的產生通常涉及大量物質的壓縮或坍縮，其形成過程主要有以下幾種途徑：
1. 恆星塌縮形成黑洞
最常見的黑洞形成方式是由大質量恆星在生命末期的塌縮所產生，具體過程如下：
核燃料耗盡：一顆大質量恆星（通常為太陽質量的8倍或更大）在其核心完成了氫、氦等輕元素的核聚變反應後，會逐步消耗掉其核心的核燃料。當核燃料耗盡時，核心無法再通過核聚變產生壓力來抵抗引力的壓縮。
超新星爆發：當核心中的核燃料完全耗盡後，恆星內部的壓力不足以抵抗引力，恆星核心會劇烈塌縮，瞬間產生大量能量，並將外層拋射到太空中，這一過程被稱為超新星爆發。這一爆發可以釋放出極其巨大的能量，甚至在短時間內超過整個星系的光度。
形成黑洞：如果塌縮後的恆星核心質量大於某一臨界值（約為3倍太陽質量，即所謂的托爾曼–奧本海默–沃爾科夫極限），引力將繼續壓縮核心，使其體積進一步縮小，密度無限增大，最終形成黑洞。
2. 超大質量黑洞的形成
超大質量黑洞（超過百萬倍太陽質量）通常位於星系的中心，其形成過程相對複雜，目前的理論和觀測提供了幾種可能的形成機制：
星系演化過程中的質量積累：早期星系中的氣體雲或恆星群在引力作用下不斷吸積物質，逐步增長其質量，最終形成超大質量黑洞。這一過程可能經歷了數十億年的時間。
星系合併和黑洞合併：星系合併可以導致中心黑洞的合併，從而形成更大質量的黑洞。在宇宙演化過程中，星系之間頻繁的合併使得中心的黑洞不斷成長。
原始黑洞：一些理論認為，早期宇宙中的高密度區域可能會直接塌縮形成質量極大的黑洞，即原始黑洞。這些黑洞在宇宙早期階段即已存在，並在隨後的演化過程中不斷吸積物質，成為超大質量黑洞。
3. 中等質量黑洞的形成
中等質量黑洞（介於數百至數十萬倍太陽質量之間）相對少見，其形成機制尚未完全了解，但可能涉及以下途徑：
恆星集群的合併：在一些密集的星團中，多顆恆星的合併可能形成一顆中等質量的黑洞。
直接塌縮：某些大質量恆星可能在坍縮時，不經過超新星階段，直接塌縮成為中等質量黑洞。
4. 其他黑洞形成機制
暴漲期的密度波動：在宇宙誕生的早期，暴漲期可能產生高密度波動，這些波動區域可能在重力作用下塌縮形成黑洞，這些黑洞通常被稱為原始黑洞。原始黑洞的存在尚未被直接證實，但它們可能解釋了一些暗物質現象。
總結
黑洞的形成主要依賴於物質的極端壓縮和引力的極端集中。不同類型的黑洞有著不同的形成機制，從恆星的塌縮到星系合併，再到可能的宇宙早期事件，這些機制共同揭示了宇宙中黑洞的多樣性和複雜性。黑洞的存在和研究不僅幫助我們理解引力和時空的性質，還能提供對宇宙演化的深刻洞見。
黑洞是一種非常奇怪的存在。 他們完全沒道理，他們從何而來？ 而當你落入黑洞又會發生什麼事？ 恆星大部分是由多到不可思議的氫原子聚集， 巨量的氣體雲被自己的引力所吸引而塌陷。 在它的核心內，核融合將氫原子組合成氦原子， 釋放出極大量的能量。 這股能量以輻射作為存在，反抗著引力向外推， 將兩股力間維持在一個微妙的平衡。 只要核心持續核融合，恆星就能維持足夠的穩定度。 但對於那些比我們太陽質量大上許多的恆星， 核心內的熱能和壓力可以使它們合成更重的元素， 直到它們合成鐵原子。 不像先前提到的原子，產生出鐵原子的過程 並不會產生任何的能量。 鐵在恆星中央組成直到一定程度的量後， 輻射能與重力之間的平衡就瓦解了。 核心開始崩塌。 在若干分之一秒內，恆星產生自爆， 以 1/4 光速移動， 持續餵給核心更多的質量。 宇宙中所有重元素都是在這特別的時刻被創造的， 而後恆星死於這場超新星爆炸。 最後可能會產生中子星，或者當恆星質量夠大時， 整個核心崩塌的質量都落入黑洞。 如果你看著黑洞，你真正能看到的是它的事件視界。 任何東西越過了事件視界， 移動速度必須要比光速快才能逃脫。 換句話說，這不可能。 所以我們只看到了一個不會反射任何東西的黑暗球面。 但如果事件視界是 "黑" 的部份， 那個什麼是黑洞中 "洞" 的部份呢？ 奇點。 我們不確定它究竟是怎樣。 一個奇點可能有著無限大的密度，意味著所有物質集中- 在一個沒有表面也沒有體積的點上。 或者是個完全不同的狀況。 目前，我們還不知道。 這就像是個分母為零的分數。 順代一提，黑洞不像是吸塵器把東西吸走。 如果我們把太陽換成個同等質量的黑洞， 對地球並沒有什麼影響， 當然，我們預計會被冷死。 當你落入黑洞時會發生什麼事？ 在黑洞附近經過的時間和平常不太相同。 從外面看來，當你接近事件視界時會變慢， 所以你流經過的時間較緩慢。 到達某點時，你看起來就如時間被動結了一般， 顏色慢慢偏紅，然後消失。 當以你為觀測點時，你可以看到整個宇宙 快速前進，類似於看到未來。 現在，我們不清楚接下來會發生什麼事， 但預測會發生以下兩種結果， 一：你死得很痛快。 黑洞將時空大幅度地扭曲，一旦你跨過了事件視界， 就只剩下唯一一個前進的方向。 從字面上看：在事件視界內， 你只有一個方向可以走。 這就像是個小巷子，當你每走一步後面的路就消失。 黑洞的物質非常集中， 從某點來看，即使是幾公分的差距， 在身體的不同部份，可能承受著數百萬倍不同的重力。 在身體的不同部份，可能承受著數百萬倍不同的重力。 你的細胞在身體被拉扯時一塊一塊被撕開， 直到你變成一個原子寬的流動電漿。 二：你死得很快。 在你越過了事件視界後，你很快地會撞上一道火牆， 並在一瞬間被消滅。 上述兩種情況都不怎麼舒服。 你會死多快取決於黑洞的質量。 小一點的黑洞可能會在你尚未到達事件視界就殺掉你， 超大質量的黑洞可能會讓你在事件視界內 逛個一陣子。 從經驗來看，你離奇點越遠， 你救活得越久。 黑洞有著不同的尺寸。 有的質量只比太陽大幾倍， 直徑和小行星一樣。 有的則是超級巨大的黑洞， 每個所知的銀河系中央都有一個， 而且已經被餵食了數十億年之久。 目前，已知的最大黑洞是 S5 0014+81， 是太陽質量的 4 百億倍。 直徑長達 2367 百億公里， 是太陽到冥王星距離的 47 倍。 就算黑洞再怎麼強大，它們最終會經由一個叫做 "霍金輻射" 的過程而蒸發。 就算黑洞再怎麼強大，它們最終會經由一個叫做 "霍金輻射" 的過程而蒸發。 要了解它是怎麼運作的，我們必須說明一下宇宙的真空。 真空中並不是真的空無一物，而是充滿了虛擬粒子， 瞬間產生並瞬間消滅對方。 當這狀況發生在黑洞邊緣時， 其中一部分的虛擬粒子會落入黑洞， 另一部份將會逃離並變成真的粒子。 所以黑洞正在失去能量。 這過程起初發生得很慢， 當黑洞變得越小時則越來越快。 當它質量簡少到如大型小行星一般時， 它會發射出有著一般室溫的熱輻射。 當它縮小到一個山脈的大小時，它會散發出同太陽一樣的溫度的熱輻射。 而在它生命的最後一秒，黑洞變成輻射蒸發掉了， 其中會伴隨著數十億倍核彈爆炸的能量， 但這過程非常地緩慢。 目前已知最大的黑洞要花上 10^100（googol）年才會蒸發。 這久到當最後一個黑洞蒸發時， 沒人可以親眼見證。 遠在發生之前宇宙就會變得不適合居住。 這還不是故事的結尾， 還有更多有關黑洞好玩的事情。 我們將會在 part 2 探討它們。 感謝 Fraser Cain 大大的強力贊助。 我跟你說喔，我們做了一些 4K 的 Kurzgesagt 桌布喔！ 它可以用在不同尺寸的螢幕上呢！ 想要就去我們 Patreon 頁面拿啦，這會讓我們更想製作更多的影片 像這個 12 月，是我們第一次在一個月內製作 3 部影片呢！
這是史上第一個黑洞影像 由事件視界望遠鏡於2019年4月10日發布 影像裡顯示電漿圍繞著一個位於M87星系的中心的超大質量黑洞 較亮的部分顯示電漿正朝我們前進 因為它是以接近光速行進 朝我們前進時看起來會比較亮 遠離我們時會看起來比較暗 這叫相對論性射束效應 從這個影像科學家們可以得知 影像中的電漿正在順時針繞著黑洞公轉 電漿完全繞一圈大約要兩天 在這裡我們利用1.3毫米的電磁波來觀測黑洞 無線電波 利用這頻段來成像 是因為它可以更清楚的顯現事件視界周圍的影像 並且能更輕易通過星際塵埃和吸積盤 達到我們的望遠鏡 M87的這個超大質量黑洞的非常活躍 意味著它不停的從高熱發亮的吸積盤上吞噬大量物質 但它也有細直的噴流在它的上下兩側 在這裡顯示為藍色 被認為是由極強的磁場產生 這些噴流向外延伸出至少5000光年 而且其中一個看起幾乎是朝著我們的方向 再一次，由於相對論性射束效應 在這哈伯望遠鏡的影像中 我們可以看到朝這我們方向的噴流 但看不到遠離我們的 基於那噴流幾乎是正對我們 我認為我們的視角應是幾乎垂直於吸積盤 但讓我們看看我們用不同的角度會看到什麼 黑洞周圍的時空扭曲意味著 我們甚至可以看到黑洞後面的吸積盤放出的光線 他們透射過黑暗區域的上下兩端 老實說這看起來超迷幻 我可以盯著它很長的時間 所以大家想問的主要問題是 為什麼這個影像這麼模糊？ 答案是因為它超級小 別誤會，這個黑洞本身很大，其實是超極巨大 根據這個照片，這個黑洞的質量是太陽的65億倍 這個陰影的實際大小幾乎和太陽系一樣大 但是位於5300萬光年遠 從我們的視角看只有40微角秒 這是它在天空中創造的角度 為了瞭解這個意思，我們把整個天空分成180度 然後把一度分成60角分 然後把一角分拆成60角秒 把一角秒分成100等分 然後再分成100等分 然後再分成100等分 然後這就是黑洞的陰影 只有大約40微角秒 這把我們放在科技容許觀察的極限 事實上要得到這種解析度 因為繞射極限的物理定律的關係 我們需要一個相當於地球大小的望遠鏡 這是不實際的 所以科學家用了全球各地的 8座望遠鏡 他們同時觀測M87 隨著地球自轉 模擬了他們所需地球大小的望遠鏡 但是M87不是他們唯一觀測的黑洞 他們也觀測銀河系中心的超巨大黑洞 -射手座 A* 他們尚未公布這個黑洞的影像 但這個模擬影像是它可能的樣子 它更接近我們，約26,000光年 但是也更小，約是我們太陽的400萬倍 它也沒那麼活躍，僅是週期性的吞噬物質 而且它週期30~40分鐘的環繞物質隨時間的變化也更大 也許是這些原因 我們想看到這銀河系中心的黑洞還要再等等 目前，這個黑洞M87的直接影像 毫無疑問地證實了黑洞存在 100多年前發表的廣義相對論再次得到了支持 藉著驚人的觀測方法應用在最強大的重力場 以我們能力的極限測試了這個理論 我喜歡這樣的時刻 這些科學家做了這些誇張極限的事 這200名科學家追求一個似乎不可能的目標 然後他們做到了 我要以我個人恭喜團隊裡的每個人 成就了一個驚人的發現 我會把他們所有的工作連結放在說明裡