求天体力学专家解答关于黑洞体积和质量的关系

2025-04-07 05:28:55

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回答1：

其实和质量与体积都没有太大关系，你说例举的那些公式一般只能算用来出例如把地球压缩成黑洞会是小的体积，但这种计算出来结果在实际过程中并不会真正遇到。黑洞之所以成为黑洞或许与它的质量与体积有关，但它的形成过程与这两个数值之前都没有太大关系，真正对它能否形成影响最大的其实是“速度”。

要解答这个问题需要从恒星开始。大质量恒星也与其它普通恒星一样，它们就像一个不断向外喷发能量的核聚变反应堆，与此同时它们的强大的引力向内挤压。在几百万年的时间里，核聚变与引力互相抗衡。但当恒星的燃料耗尽，核聚变也会随之停止，引力将获得最终的胜利。

对恒星来说，铁是宇宙中最危险的元素，因为恒星需要强大的能量来支撑重力挤压。一旦失去能量，它就的结构就会瞬间崩溃。而铁元素的核聚变是不产生能量的，因而当恒星开始把碳和氧聚变成铁元素之后，铁元素就沉入恒星的中心，但无法发生任何核反应，也不提供能量。

由于铁与铁之间无法发生核聚变，因此也不会释放能量来支撑铁质核心。当这个“铁质内核”的质量累积到太阳质量的1.44倍时，电子简并（原子核与原子核之间的斥力）瞬间崩溃，铁原子被引力紧紧挤压在一起，巨大的引力同时将电子压进铁原子核，致使铁原子核内的质子衰变成中子。

在这一时刻，铁质内核就已经成为了中子星。如果照此发展仅在几秒之后，恒星结构就会因为铁的内核崩溃而做出反应，整体结果迅速跟着塌缩，然后引发剧烈爆炸，成为超新星。但恰恰是这几秒决定了恒星最终会留下什么。

从内核崩塌成中子星，到恒星发生超新星爆炸有几秒钟的延迟，但在这几秒钟的延迟到来之前，恒星的其它部分仍然在发生着核聚变。在恒星崩溃前，它仍然会将大量的元素聚变成铁，新生的铁元素不断沉积在中子星的表面，并在衰变后成为中子星的一部分，为中子星不断“增重”。

就在恒星崩塌的这几秒钟之内，恒星又聚变出了足够大质量的铁元素，大量新产生铁元素纷纷加入了“中子星”的行列，导致中子星的质量不断增加。终于在恒星崩溃之前，中子星的质量超出了自身能够承受的极限（大约是太阳质量的3倍），原子简并也轰然瓦解，中子星被挤压成了黑洞，一个婴儿黑洞在恒星的内核中诞生了。

恒星从铁质内核崩塌到发生超新星爆发有几秒的延迟，能否形成黑洞就需要看着关键的几秒内恒星能否继续聚变出足够质量的铁让中子星的质量增加到太阳3倍以上。如果聚变的速度够快，则中子星会在超新星爆发前就已形成黑洞，如果速度不够快，超新星爆发会立即让核聚变停止，中子星没有办法继续增加质量，最终将只能成为中子星。

形成黑洞的原理就是这样的，你给出的那个公式其实在实际情况中并不用的上。形成黑洞的简单数值：质量在太阳3倍以上，自身没有内在作用（如核聚变）来对抗引力，它就会在重力的挤压下自然形成黑洞。至于形成黑洞之后，以及不同质量的黑洞你想计算出它应该有多大时，才会用得上你的那个公式。诸如计算那种“把地球压缩到多大才能成为黑洞”之类的问题其实是没有实际意义的，因为地球永远不可能成为黑洞。

至于你问的物质的最大密度，人类目前暂时还无法回答。目前的强子对撞机试图破解物质又什么组成的，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核又由夸克组成，无论你怎么剖析这些粒子，你都会发现这些粒子内部仿佛都是空洞的，实际上里面什么都没有。

所以虽然目前观点认为黑洞中的物质会被压缩成一个无限致密无线小的奇点。但真实情况是否如此仍然是未知数，黑洞可以压垮电子层，可以压垮原子核，但能不能压垮组成原子核的夸克？如果可以压垮夸克由能不能压垮组成夸克的更小的结构？这一切都是未知数。

在黑洞中仿佛宇宙中其它三种基本力都不存在了，唯独引力存在，但人类目前无法知道具体情况，一切只能靠理论猜测，但纯粹的理论有一个致命缺陷就是缺乏实践验证，而黑洞内部的无法进行实践验证。

或许量子理论才是解答谜团的金钥匙，它现在已经能解释物质为什么拥有质量，而引力是与质量直接挂钩的。有朝一日如果人类真的能弄清楚引力的作用机制，那黑洞之谜应该也就可以彻底解开。

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