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史瓦西半徑

史瓦西半徑是任何具有質(zhì)量的物質(zhì)都存在的一個(gè)臨界半徑特征值。在物理學(xué)和天文學(xué)中,尤其在萬有引力理論、廣義相對(duì)論中它是一個(gè)非常重要的概念。1916年卡爾·史瓦西首次發(fā)現(xiàn)了史瓦西半徑的存在,他發(fā)現(xiàn)這個(gè)半徑是一個(gè)球狀對(duì)稱、不自轉(zhuǎn)的物體的重力場的精確解。 一個(gè)物體的史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比。太陽的史瓦西半徑約為3千米,地球的史瓦西半徑只有約9毫米。

基本信息

  • 中文名稱

    史瓦西半徑

  • 外文名稱

    The schwarzschild radius

  • 解釋

    任何具重力的質(zhì)量之臨界半徑

  • 地球的史瓦西半徑

    9毫米

 黑洞

物體的實(shí)際半徑小于其史瓦西半徑的物體被稱為黑洞。在不自轉(zhuǎn)的黑洞上,史瓦西半徑所形成的球面組成一個(gè)視界。(自轉(zhuǎn)的黑洞的情況稍許不同。)光和粒子均無法逃離這個(gè)球面。銀河中心的超大質(zhì)量黑洞的史瓦西半徑約為780萬千米。

 半徑公式

史瓦西半徑(Schwarzschild radius)的公式,其實(shí)是從物件逃逸速度的公式衍生而來。該值的含義是,如果特定質(zhì)量的物質(zhì)被壓縮到該半徑值之內(nèi),將沒有任何已知類型的力可以阻止該物質(zhì)自身重力將自己壓縮成一個(gè)奇點(diǎn)。

史瓦西半徑將物件的逃逸速度設(shè)為光速,配合萬有引力常數(shù)及天體質(zhì)量,便能得出其史瓦西半徑。

根據(jù)天體逃逸速度(V1)的計(jì)算公式計(jì)算天體的史瓦西半徑。

V1=√(2GM/R)

V1指天體的逃逸速度,G為萬有引力常數(shù),M為天體質(zhì)量,R為天體重心與被吸引物體重心的距離。物體無法超過一個(gè)天體的逃逸速度,就不能擺脫其束縛,會(huì)被該天體吸引,無法脫離軌道而逃逸。

推導(dǎo)過程:

由 V1=√(2GM/R)

得知 r 越小 則V1越大

當(dāng)V1大于等于Vc的時(shí)候(Vc為光速),光也無法逃離該天體的引力,此時(shí)即使是光,也只能進(jìn),不能出。

天體的史瓦西半徑即為逃逸速度等于光速時(shí)候所得出的R的值。所以Rs=2GM/Vc^ 2(Rs為天體的史瓦西半徑)

最后總結(jié)一下公式:

Rs=2GM/Vc^2

Rs為天體的史瓦西半徑,G為萬有引力常數(shù),M為天體的質(zhì)量,Vc為光速。

文字版:天體的史瓦西半徑等于萬有引力常數(shù)乘以天體質(zhì)量乘以二再除以光速的平方。

分類說明

超大質(zhì)量黑洞

假如一個(gè)天體的密度為1000千克/立方厘米,而其質(zhì)量約為1.5億個(gè)太陽質(zhì)量的話,它的史瓦西半徑會(huì)超過它的自然半徑,這樣的黑洞被稱為是超大質(zhì)量黑洞。絕大多數(shù)今天觀察到的黑洞的跡象來自于這樣的黑洞。一般認(rèn)為它們不是由星群收縮碰撞造

黑洞成的,而是從一個(gè)恒星黑洞開始不斷增長、與其它黑洞合并而形成的。一個(gè)星系越大其中心的超大質(zhì)量黑洞也越大。

恒星黑洞

假如一個(gè)天體的密度為核密度(約1.5*10^12千克/立方厘米,相當(dāng)于中子星的密度)而其總質(zhì)量在太陽質(zhì)量的三倍左右則該天體會(huì)被壓縮到小于其史瓦西半徑,形成一個(gè)恒星黑洞。

微黑洞

小質(zhì)量的史瓦西半徑也非常小。一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于喜馬拉雅山的天體的史瓦西半徑只有一納米。目前沒有任何可以想象得出來的原理可以產(chǎn)生這么高的密度。一些理論假設(shè)宇宙產(chǎn)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生這樣的小型黑洞。

 由來

史瓦西半徑是卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild、也有翻譯做卡爾·史瓦茲旭爾得)于1915年針對(duì)廣義相對(duì)論方程關(guān)于球狀物質(zhì)分布的解,此解的一個(gè)結(jié)果是可能存在黑洞。他發(fā)現(xiàn)這個(gè)半徑是一個(gè)球狀對(duì)稱、不自轉(zhuǎn)的物體的重力場的精確解。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論,黑洞是可以預(yù)測的。他們發(fā)生于史瓦西度量。這是由卡爾·史瓦西于1915年發(fā)現(xiàn)的愛因斯坦方程的最簡單解。

根據(jù)史瓦西半徑,如果一個(gè)重力天體的半徑小于史瓦西半徑,天體將會(huì)發(fā)生坍塌。在這個(gè)半徑以下的天體,其間的時(shí)空彎曲得如此厲害,以至于其發(fā)射的所有射線,無論是來自什么方向的,都將被吸引入這個(gè)天體的中心。因?yàn)橄鄬?duì)論指出任何物質(zhì)都不可能超越光速,在史瓦西半徑以下的天體的任何物質(zhì)--包括重力天體的組成物質(zhì)--都將塌陷于中心部分。一個(gè)有理論上無限密度組成的點(diǎn)組成重力奇點(diǎn)(gravitational singularity)。由于在史瓦西半徑內(nèi)連光線都不能逃出黑洞,所以一個(gè)典型的黑洞確實(shí)是"黑"的。

小于其史瓦西半徑的物體被稱為黑洞(亦稱史瓦西黑洞)。在不自轉(zhuǎn)的黑洞上,史瓦西半徑所形成的球面組成一個(gè)視界。(自轉(zhuǎn)的黑洞的情況稍許不同。)光和粒子均無法逃離這個(gè)球面。銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的史瓦西半徑約為780萬千米。一個(gè)平均密度等于臨界密度的球體的史瓦西半徑等于我們的可觀察宇宙的半徑。

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