24: 黑洞和曲线时空
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在二十世纪的大部分时间里，黑洞似乎是科幻小说，要么被描绘成消耗周围所有物质的怪物吸尘器，要么描绘成从一个宇宙到另一个宇宙的隧道。 但是关于黑洞的真相几乎比虚构更奇怪。 随着我们继续进入宇宙的旅程，我们将发现黑洞是解释许多神秘而非凡的物体的关键，包括倒塌的恒星和巨型星系的活跃中心。
- 24.1：介绍广义相对论
- 爱因斯坦提出了等价原理作为广义相对论的基础。 根据这一原理，任何人或任何在封闭环境中进行的实验都无法区分自由落体和没有重力。
- 24.2: 时空和重力
- 通过考虑等价原理的后果，爱因斯坦得出结论，我们生活在弯曲的时空中。 物质的分布决定了时空的曲率；进入时空区域的其他物体（甚至光）必须遵循其曲率。 光必须改变其在大型物体附近的路径，不是因为光会被重力弯曲，而是因为时空会弯曲。
- 24.3: 广义相对论的检验
- 在弱引力场中，广义相对论的预测与牛顿引力定律的预测一致。 但是，在太阳引力更强的情况下，广义相对论做出的预测与牛顿物理学不同，是可以检验的。 例如，广义相对论预测，光或无线电波在太阳附近经过时会偏转，即使没有其他行星，水星在近日点的位置也会每世纪变化43弧秒
- 24.4: 广义相对论中的时间
- 广义相对论预测，重力越强，时间运行的速度就越慢。 在地球和航天器上进行的实验已经非常准确地证实了这一预测。 当光或其他辐射从紧凑的较小残余物（例如白矮星或中子星）中发出时，由于时间的减慢，它会显示出引力红移。
- 24.5：黑洞
- 理论表明，恒星核心在耗尽核燃料时质量超过太阳质量三倍的恒星将崩溃变成黑洞。 黑洞周围的表面（逃生速度等于光速）被称为事件视野，表面的半径称为施瓦茨柴尔德半径。 任何东西，甚至光线，都无法从黑洞中逃出事件视野。 每个黑洞的中心都被认为有一个 si
- 24.6：黑洞的证据
- 恒星质量黑洞的最佳证据来自双星系统，其中（1）两颗恒星中的一颗恒星不可见，（2）闪烁的 X 射线发射是紧凑物体周围有吸积盘的特征，（3）可见恒星的轨道和特征表明其质量隐身同伴大于 3 mSun。 已经发现了许多具有这些特征的系统。 在黑洞中发现了质量为数百万到数十亿个太阳质量的黑洞
- 24.7: 引力波天文学
- 爱因斯坦关于引力的另一部分观念可以作为检验黑洞基础理论的一种方式来检验。 根据广义相对论，时空的几何形状取决于物质的位置。 任何物质的重排，比如从球体到香肠的形状，都会对时空造成干扰。 这种干扰被称为引力波，相对论预测它应该以光速向外扩散。
缩略图：右边艺术家的插图显示了黑洞将材料从一颗巨大的蓝色同伴星身上拉走。 这种材料形成一个圆盘（以红色和橙色显示），它围绕黑洞旋转，然后掉入黑洞或以强大的喷气式飞机的形式被重定向离开黑洞。 圆盘（落入黑洞之前）中的物质非常热，会发出 X 射线，这就解释了为什么这个物体是 X 射线源（NASA/CXC/M.Weiss 对作品的功劳修改）。