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黑洞的密度一定是特别大吗_vue

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黑洞的密度一定是特别大吗？

黑洞就是个密度超大的天体，没什么特别的。这么理解对吗？

从表面上来理解这似乎没有毛病，但仔细考虑一下您就会发现这其中存在很多秘密：比如密度超大为什么会坍缩成黑洞？有几种类型的黑洞？又各有什么特色？

一、物质压缩的秘密

1.压缩气体

压缩对于大家来说应该非常熟悉，比如我们经常用到压缩和解压缩软件，其原理是将文件的二进制代码压缩，比如将相邻的0和1减少，比如用几个0或者几个1来代替，减少文件的存储空间！当然改变的仅仅是数据结构，而我们今天要讨论的是物质的压缩，各位应该很清楚，气体是最容易被压缩的，因为气体分子间存在着大量的空隙，因此可以被压缩，我们日常用到的压缩气罐就利用了气体的可压缩原理！

储存了压缩气体的气罐是一个危险品，内部的高压气体具有极高的能量，一旦意外破损造成的后果不亚于蒸汽罐破裂！当然这并不意味着气体就可以无限压缩，因为分子间距减少到一定距离的时候其斥力将会阻止压缩进一步进行，此时，只有再增加做功，但大量效果的能量往往会抵消高压缩所带来的经济效益，因此一般空压机的气罐压力为0.7~0.8MPA，一个大气压为0.1MPA，因此我们一般用7-8公斤来表示空压机的储气罐压力！

2.固体物质压缩

在我们日常生活经验中，固体和液体并不能压缩，因为分子间距很小，即使如锻压等工艺也只能弥补下材料内部的缺陷，并不能让密度增加几何，当然仍然会增加一点，但对于“压缩”这种明显的缩小却是不能！当外界施加的压力让固体的原子试图更进一步接近时，原子外层电子的相互斥力会阻止两者进一步靠拢！两个电子在原子半径（1×10^-10M）范围内的斥力达到了F = 2.31 × 10^(-8) 牛顿，可能您认为这个并不大，但要知道原子的外层电子是每个原子都至少有一个或者更多，那么一块固体内有多少原子？

二、固体不可压缩吗？

非也，那只是我们给与的压力不够而已，比如在地球的铁镍物质就达到了10.7g/立方厘米，这明显要高于地球表面的铁的密度（7.8g/立方厘米），而太阳核心的密度则达到了150g/立方厘米，大约是水的150倍，这是因为尽管核外电子的斥力可以对抗强大的压力，但它终有屈服的那一个阶段，在地球和太阳内核，电子之间的斥力就“部分屈服”了！

1.白矮星物质

这是电子斥力屈服的一个阶段，在太阳寿命的最后阶段，内核的氦元素也耗尽了，再也不会有什么氦闪出现，因此辐射压无法再对抗辐射层以及对流层对于内核的强大压力，因此内核150g/立方厘米的物质将会继续增加密度，而中心碳氧原子的电子将会被压到极度接近原子核的位置，保持结构不被压力摧毁的电子简并力在苦苦支撑！

2.中子星物质

泡利不相容的原理告诉我们，电子之间的斥力是阻止物质继续坍缩的唯一支撑，但如果死亡恒星的外壳不断加大，超过了钱德拉塞卡极限，即坍缩引力势能大于电子简并态能时！

那么电子简并力将再也无法阻止引力坍缩的继续进行，电子将被压入原子核，与质子的正电荷中和成了中子，此时物质已经破坏了其本身的原子核结构，失去原来物质的所有化学与物理属性！已经成为了一颗中子星！

3.黑洞

中子星物质之间的结构支撑力是中子简并压力，与电子简并压力一样，中子也是有排它性的，它们不能占据空间中的同一个位置，因此粒子间的存在相互的排斥力。不过各位要注意下的是这个简并力是泡利不相容原理，背后并没有所谓的“力”，一个量子态上只能容纳一个费米子，这就是量子力学世界的“性质”！当然这个一个量子态只能容纳一个费米子，但这也架不住无穷的质量增加，其实不需要无穷大，一颗坍缩前的恒星内核质量超过3.2个太阳质量时，将无法避免坍缩成一个黑洞，当然现在在夸克时代猜测会坍缩成夸克星，不过仍然没有在观测获得证实！但理论上存在夸克星这种天体！

三、黑洞的种类和特性

不要认为坍缩后的黑洞就只有一个类型，其实黑洞并不止一种，一般从结构上区分可以分成三种：

1.不旋转不带电荷的黑洞：它的结构于1916年由史瓦西求出，称史瓦西黑洞

2.旋转不带电荷黑洞：结构由克尔在1963年计算得到，称克尔黑洞。

3.旋转带电荷的黑洞：。结构于纽曼在1965年由计算得到，称克尔-纽曼黑洞

史瓦西黑洞就是“最普通的黑洞”，也是最理想化的黑洞，因为它没有自转也没有电荷，但坍缩成黑洞的恒星的明显都是自转的，也许原初黑洞（宇宙诞生之初坍缩而成的黑洞）存在不旋转的可能！

克尔-纽曼黑洞的视界和无限红移面是分离的，并且视界将分成外视界和内视界，无限红移面也有两个，两个红移面之间的区域是能层，黑洞旋转的能量储藏在这里，请注意，越过了克尔-纽曼黑洞的无限红移面物体仍然有机会逃离黑洞！理论上可以在克尔纽曼的静止界面外建立一个空间站，然后利用抛射质量来提取黑洞的旋转能，得到几乎无限的能源！

刚刚事件视界望远镜(EHT)成像的室女座M87*黑洞就是一个顺时针旋转的克尔黑洞（距离地球约5500万光年，质量为太阳的65亿倍）！

M87*和太阳系的对比，很明显整个太阳系都在视界内，不过请各位不要搞错的是中间那个黑圈并非视界！

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