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由基本物理特性分析“黑洞”

已有 647 次阅读 2019-4-19 12:27 |个人分类:物理|系统分类:论文交流

              基本物理特性分析“黑洞”

        中国科学院力学研究所 研究员  吴中祥

1.已知的基本物理特性

人类数千年至今,已经,从我国古人,对宇宙,即时空,的精辟论述,到各国科学家对各种物体、星体,自然特性逐步科学的认识,已经发展为,从“绝对时间”观念3维空间矢量的经典物理学,到4维时空矢量的相对论、量子场论物理学,以及3维空间相宇的统计物理学。

特别是,本博主创建,可变系时空多线矢物理学、时空多线矢相宇的统计物理学,对已有客观世界实践、认识,历次的,缺陷、错误,的弥补、纠正,已经由各种已知实验、观测结果,得到:

由电子、正电子逐次到中微子,到各种介子,到各种超子,到质子,到中子,到各种原子的,各种基本粒子的转化变换规律,可以认为:一切物质都是由“电子”与“正电子” 逐次组合、转变而成。

按相对论,粒子的运动质量m=m0/(1-v(3)^2/c^2)^(1/2)

    因物体粒子的运动质量m必为有限值。

光子的3维空间速度v(3)=c,因而,光子的静止质量m0 必然是=0

而运动质量m=0/0,其数值须由大量同种光子统计形成的光波的频率表达为:

m=h光频率/c^2,能量光= h光频率,动量光= h光频率/ cc是所在介质的光速。

光子可在真空(或近似真空的太空)中运动,因而,光波可在真空(或近似真空的太空)中传播。

在真空(或近似真空的太空)中光速为(或近似)c0,为常量,c= c0n光,n光是所在介质的光折射率,对于均匀介质,为常量,否则,是传送时间,t,的函数。

类似地,时空位置矢量的时轴分量由声子传送的,时轴模长就应是ia*ta*是所在介质的声速。

r(4)=((ia*t)^2+r(3)^2)^(1/2)v(4)=((ia*)^2+v(3)^2)^(1/2)

    该粒子的时空动量 模长m v(4)为:

m v(4)=m0 v(4) /(1-v(3)^2/a*^2)^(1/2)

物体粒子的运动质量m声就应为:

m=m0/(1-v(3)^2/a*^2)^(1/2)

就得到:声子也是静止质量m0=0的粒子。

其运动质量m=0/0,其数值须由大量同种声子统计形成的声波的频率表达为:

m=h声频率/a*^2,能量= h声频率,动量= h声频率/ a*

声子不能在真空(或近似真空的太空)中运动,以标准大气状态,p0v0T0,条件下的声速为a*0,为常量,a*= a*0n声,n声是所在介质的声折射率,对于均匀介质,为常量,否则,是传送时间,t,的函数。

声波也不能在真空(或近似真空的太空)中传播。

各种粒子在各种不同力的作用下,分别发生不同的演变:

3维空间引力的作功就是:

W f(3)={dr(3)[1线矢]点乘m2g[1线矢], r(3)=r1(3)r2(3)积分}

=m2g(r2(3)-r1(3)) 即:

m2g r1(3)r2(3)的位能与m2g(r2(3)-r1(3))的动能互相转换,没有不同能级的跃迁,不能产生静止质量=0的任何粒子,不会形成任何波。

时空引力f(4 )[1线矢]=((km1 r(4)/r(4)^(3/2))梯度(4))m2[1线矢]

=km2{((4 (m1rj/r(4)^(3/2))/(4)rj)[j基矢],j=03求和}

= m2 g[1线矢],有4维,但仍是[1线矢] 量纲是:[M][L] [T]^(-2)

k的量纲是:[M]^(-1)[L]^3[T]^(-2)

g仍是相应条件下的重力加速度,在确定的空间位置的粒子,就只有唯一的常量。

4维时空引力的作功就是:

W f(4)={dr(4)[1线矢]点乘m2g[1线矢], r(4)=r1(4)r2(4)积分}

=m2g(r2(4)-r1(4)) 即:

m2gr1(4)r2(4)的位能与m2g(r2(4)-r1(4))的动能互相转换,也没有不同能级的跃迁,也不能产生静止质量=0的任何粒子,也不会形成任何波。

时空运动力的3维空间分量做功计算得到的动能的增加E(3)=该物体结合能=m0c^2,的减少。

对于各种粒子的结合能m0c^2,的减少,就等于辐射光子的动能:h光频率。

基本粒子在强力作用下,结合为新的激发态粒子,经一定的弛豫时间,自发地产生相应的弱力,的作用下,辐射出能量=反应前后静止质量相差值乘c^2的光子,成为非激发态粒子,或分裂为相应的两个m0=0的粒子。

一切静止质量不=0的粒子在各种力作用下做功,与力同向运动,则增加动能、与力反向运动,则减少动能;

一切静止质量=0的光子或声子,在各种力作用下做功,与力同向运动,则提高频率、与力反向运动,则降低频率。

本博主还根据已观测到137亿年前某星体的某一光频率的红移量z=22(z1为单位,221t10亿年为单位,13.71)求得,光子在近似真空的太空中以近似真空光速c0已运行的时间t,红移量(频率的增量/该初始频率)z随时间改变的规律:

z=-2.965616x10^(-2)-3.053548 x10^(-2)/(t-1.029656)

2.已知各种星体的基本特性

质量较小的各“行星”表面各物质,已不出现自然地核聚变或裂变的,发热、发光,都是:气、液、固,各状态;但其内部,特别是深层,就还有,甚至非常激烈的,自然地核聚变或裂变,产生各种大能量粒子、发热、发光的演变,乃至时而发生地震、火山爆发,等等出现到表面的现象;

质量较大各“恒星”表面却是各轻元素仍在聚变,而激烈地发热、发声、发光,而且时而发生,例如,太阳表面的,日冕、磁爆,等等现象,就表明:其深层内部存在激烈地地核聚变或裂变,产生各种大能量粒子、发热、发声、发光的演变;

而且,由各星体的运动规律,按引力公式分析和时而探测到的强力辐射粒子,而发现各星系中心都存在看不见的巨大质量区域,又有,经典物理学关于所谓“暗星”,广义相对论和量子理论,对所谓“黑洞”、“奇点”,的论述,按爱因斯坦广义相对论导出的“引力场方程”的解,并经量子化的各种所谓“量子引力理论”所描述的“黑洞”。

在讨论“引力波”时已经知道: “非线性的广义相对论引力场方程”是:放弃矢量,类比由库伦(Coulomb)静电定律转变到马克斯威尔(Maxwell)方程组的变换规律,而得出的,实际上是,混进了实际是电磁力的,如爱因斯坦所说“更多东西”。

特别是,其关键技巧是建立在爱因斯坦引力场方程对坍缩尘埃云的解里有一个被“事界”包围的奇点,并将它一般化的基础之上的。

人们熟知,虽然引力场在r=0处确实有一奇点,但它却是相互作用的两物体的质心重合于该点,这是不可能的,因而,并无实际意义,而须在其单连通区域内从相应的Green函数积分中扣除。

显然,这种研究方法还存在一些原则上的缺陷,而相应的结论应认真审核。

对于引力,只是3维空间的力

没有时轴分量,只有远程,没有不同的能级,不能产生任何m0=0的粒子,不能形成任何波,也不由任何m0=0的粒子传送。

按此,由“引力场方程”的解,得到的所谓“引力波”,当然,就是如爱因斯坦所说“更多东西”。

 引力不可能产生任何波,LIGO等等用激光干涉原理测量大范围微弱振动的设备,4次所测到的,已被具体、确切地论证,都不是,也不可能是,“引力波”。

但是,对于与“波”和产生m0=0的粒子,无关的问题,例如:所谓“广义相对论3大验证”的,水星近日点的进动、光子在引力作用下的红移、偏折,就还能由“引力场方程”解得,并与实际观测结果和按可变系时空多线矢计算的一致。

同样,按爱因斯坦广义相对论导出的“引力场方程”对坍缩尘埃云的解里被“事界”包围的奇点,并将它一般化的基础之上,并经量子化的各种所谓“量子引力理论”所描述的“黑洞”,当然,因“奇点”须在其单连通区域内从相应的Green函数积分中扣除,也只能是更为错误导出的东西。

但是,对于与“奇点”,无关的问题,例如:由“引力场方程”解得施瓦西黑洞的施瓦西半径,就能与按经典物理学计算得到的一致。

现在,又有首张位于代号为M87的超巨椭圆星系中心“黑洞”事件视界信息数据组成的图像。

3.对所谓“黑洞”基本特性的具体分析

因而,我们就足以设想:

在某区域内,不均匀分布着大量静止质量不=0的粒子,其总体为电中性,总共有巨大的质量,M

其内部,特别是深层的内部,必然存在更激烈地核聚变或裂变,产生各种大能量粒子、发热、发声、发光的演变;

这各种能量的粒子向外运动的过程,受到逐层增大的引力作用,而能量逐渐减小,其中,光子、声子,的频率逐渐降低;

设此区域的“边缘”(即在其外,粒子密度相对地显著降低),是在:距此区域质量中心r(3)0处。

光子(动能为mc^2/2,质量为m),到达距该区域边界(即:距区域质量中心r(3)0)该区域对光子的引力势能=GMm/r(3)0,因而,有:

r(3)0=2 GM/c^2

光子受区域引力f(r(3))作用,并以初速v(3)0=c开始,继续逃离该区域。

区域质量为M质量中心,就r(3)0r(3)1对该光子作功(忽略该区域外,相对地显著降低了密度粒子的引力)

W={dr(3) f(r(3)),从r(3)0r(3)1积分}直到消耗掉该光子的全部动能,mc^2/2,则:

r(3)1=2 GM/c^2

而该光子就只能到达距该区域质量中心r(3)2=r(3)0+r(3)1处,就能量完全消失。

r(3)2=r(3)0+r(3)1=4 GM/c^2,就是光子不能逃出该区域的界限。

该区域(包括其内的所有粒子),就是所谓“黑洞”

由此可见:r(3)2与光子的m(=h光频率/c^2)无关,但是,只要最大频率的可见光(可见光波长7.8×10^-53.8×10^-5频率3.8×10^147.9×10^14),不能逃离距质量为M区域r(3)2处,该区域就不看见光,r(3)2就是所谓“黑洞”视界

G是引力常量约=6.685x10^(-8) [厘米]^3/([][]^2)     c是真空中光速约=3x10^5[千米]/[]

r(3)0[公里]= r(3)1[公里]=1.2M[公斤]x10^2/[公斤]

   还可由该频率光子从黑洞视界r(3)2在太空运行到地球的红移量z,求得该黑洞地球的距离。

4.具体分析视界望远镜此次观测首次公布的黑洞图像

视界望远镜此次观测其实选定了两个目标:一个是我们银河系中心的超大质量黑洞,质量为450万倍的太阳质量,距离地球2.6万光年;另外一个是位于M87星系中心的黑洞,其质量为65亿倍的太阳质量,距离地球5300万光年。

北京时间410日晚 9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布的,由视界望远镜得到的首张事件视界信息数据组成的图像是:位于代号为M87的超巨椭圆(近似为圆)形星系中心“黑洞”的图像

                                             

image.png

 这个圆环的前侧亮一些,后侧暗一些,原因在于吸积盘的运动效应——朝向我们视线运动的区域因为多普勒效应而变得更亮,远离我们视线运动的区域会变暗。

位于M87星系中心的黑洞,其质量为65亿倍的太阳质量,已知太阳质量=2.05x10^8千克,由此得到此黑洞的:

质量m=1.33 x10^19千克

半径r(3)0=1.2x6.5x2.05x10^4[公里]=1.6x10^5[公里]

视界r(3)2=2 r(3)0=3.2 x10^5[公里]

(    1个太阳质量的黑洞的:

半径r(3)0=1.2x2.05x10(-6)[公里]

=2.46x10(-6)[公里]=2.46[毫米]

视界r(3)2=2 r(3)0=4.29[毫米]         )

     黑洞内某些局部高状态可能形成的各种力作用下,产生的能量很大的光子,是远大于最大能量的可见光,经黑洞中逐程引力的作用,在逃出黑洞半径之前,能量逐渐减弱为可见光,其中不被黑洞中高密度粒子吸收,而能被视界望远镜看见的可见光,就只有红光。

而在黑洞相应半径之外,附近可能存在或掠过,密度显著降低的各种粒子,与从黑洞逃出的高能量相互作用产生相应波长的光。

视界望远镜探测到,对各个黑洞,其频率和强度,各有一定范围的分布。

    各频率的这种光还会因太空中其它的来源而附加外相应的背景“噪音”。

 最佳波段在1毫米附近,这一波段的黑洞光环最明亮,而背景噪音又最小。

黑洞影像也必须在这样  合适的波段才能观测到。

北京时间410日晚 9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布的位于代号为M87的超巨椭圆星系中心,黑洞的最佳波段在1.3毫米附近。

    而在黑洞的半径到半径区间,各种粒子密度显著降低的区域,视界望远镜能探测到的可见光,可以从白色到红色。

    视界望远镜得到的首张事件视界信息数据组成的图像,可以看到:

    从黒色中心到中间红色外缘,就是黑洞的区域;

   从近似白色內缘到外圈红色外缘,就是黑洞外到其视界的区域;

   黑洞视界r(3)2确实= 2黑洞半径r(3)0

黑洞半径与黑洞质量成正比关系,我们可以知道,银河系中心黑洞的视界大小约为M87中心黑洞视界大小的1.4倍。这是我们知道的最大的两个黑洞,而那些质量只有几十个太阳质量的恒星级黑洞,尽管距离相对比较近,但是因为其质量过小等因素,更难被望远镜捕捉。

既然银河系中心的超大质量黑洞这么大、距离这么近,为什么这一次只发布了更为遥远的M87的照片,而没有银河系中心黑洞的照片呢?

M87中心黑洞附近气体活动比较剧烈,我们之前已经观测到了它所产生的强烈喷流,相较之下,银河系黑洞的活动不那么剧烈。

另外一个很重要的原因是,太阳系处在银河系的银盘上,在我们试图利用视界望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子的时候,这些光子会受到传播路径上星际气体的影响——气体会散射这些光子,将观测结果模糊化。

M87是一个包含气体很少的椭圆星系,受到的气体干扰相对少很多,科学家们可以比较顺利地进行观测。我们在大气层之内观测天体时也会有类似情况,因为大气扰动的缘故,望远镜的分辨率有时很难达到理想状况。消除星际气体散射的效应是科学家接下来需要克服的一个重要难题。




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1 苏保霞

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