沖出黑洞

許　皓

不論是頂尖的物理學(xué)家，還是普通大眾，黑洞都是一個令人著迷的話題。那么，這個名為“黑洞”的東西，到底是什么呢？拋開大眾加于其上的超自然色彩的幻想，即使是最嚴肅的科學(xué)家，也對此持有不同的見解。那么，我們就來了解一下這方面的知識。

黑洞的由來

1967年，美國物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”(black hole)這個專有名詞。霍金對此的評價是：“這真是一項天才之舉。”他認為，在科學(xué)研究中，取個好名字具有不可低估的重要性。那些原先沒有令人滿意名字的某種對象，如果能起個響亮而確切的名字會刺激科學(xué)研究的進程。而“黑洞”這個名字本身，就具有某種神秘的色彩，更容易滿足人們關(guān)于科學(xué)之謎的某種幻想的欲望，同時，這個名詞也為科幻小說家們提供了豐富的想象空間。

但是，普通人所不了解的是，雖然“黑洞”這個詞出現(xiàn)得很晚，但是，黑洞這個概念卻在兩百多年前就有人開始思索了。1783年，一位名叫約翰·米歇爾的英國劍橋人，他寫了一篇有關(guān)的論文。在文章中，他引用牛頓的萬有引力理論說，假設(shè)我們在地球表面上向上發(fā)射一顆炮彈，在炮彈上升的過程中，其速度會因為地球引力而減慢，最終，炮彈會停止上升而落回到地球上；然而，如果它的初速度大于某個臨界值，它將永遠不會停止上升并落回地面，它會一直向外運動，最后遠離地球，這個臨界速度就是我們現(xiàn)在所知道的逃逸速度。

這個劍橋人推論說，也許可能有這樣的一顆恒星，它的質(zhì)量非常大，同時它的半徑非常小，這種特性會使得其逃逸速度非常大，這個速度會比光速還大；如果有這種恒星，那么就會發(fā)生這樣的情況，從這顆恒星表面發(fā)出的光會被恒星的引力場拉回去，所以，這顆恒星發(fā)出的光不能到達我們這里；因此，我們看不到這顆恒星。法國著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家拉普拉斯，也作過同樣的預(yù)言。

1915年，愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論，在更高層面的理論上預(yù)言了黑洞。1939年，美國理論物理學(xué)家奧本海默和辛德也對黑洞的存在做出了推斷。直到1967年，惠勒才正式為黑洞命名，他解釋說：“它是黑的，并且看起來像一個洞，所以叫它黑洞。”那么，既然我們看不到黑洞，怎么知道它的存在呢？只能通過它的引力場作用到附近物體上的效應(yīng)來檢測其存在。事實上，現(xiàn)代天文學(xué)家們對黑洞的研究，主要是觀測黑洞在活動時產(chǎn)生的輻射。

黑洞“無毛”

讓我們來看看一個黑洞是怎么誕生的。太空中，一顆具有十倍太陽質(zhì)量的恒星，在其壽命的末期，當(dāng)其內(nèi)部的核能耗盡，恒星就由于自身的引力開始坍縮。隨著恒星收縮，表面上的引力場就變得越來越強大，逃逸速度就會增加。當(dāng)它的半徑縮小到三十千米，其逃逸速度就增加到每秒三十萬千米，也就是光速。此后，任何從該恒星發(fā)出的光都不能逃逸，而只能被引力場拖曳回來。根據(jù)狹義相對論，沒有東西可能比光速更快。如果光都不能逃逸，那其它東西就更不可能。這就形成了一顆黑洞：這是時空的一個區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，光也被關(guān)“禁閉”了。黑洞的邊界叫做事件視界。

正如我們現(xiàn)在大多數(shù)人所知，“黑洞”是指一種天體。這種天體看上去黑黝黝的，即使想用光去照亮它也做不到，因為它的質(zhì)量太大，引力太強，連光都無法逃逸出來，所以休想照亮它。那么，科學(xué)家們怎么研究這個黑家伙呢？

現(xiàn)在，關(guān)于黑洞最出色的研究成果之一就是“黑洞無毛”定律。這是一種形象的說法，與人們熟知的“毛發(fā)”沒有任何關(guān)系。這項定律是由著名的物理學(xué)家霍金和另外兩名合作者共同證明的。這個定律表明，由于引力坍縮，而形成一顆黑洞，這顆黑洞會迅速地趨向于一種穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)只由三個參數(shù)來描述就夠了：質(zhì)量、角動量和電荷。由于黑洞可以用如此簡潔的三個物理量來描述，所以，物理學(xué)家惠勒戲稱之為“黑洞無毛”，反取“毛發(fā)”一詞的紛繁蕪雜之意，意即“黑洞其實很簡單”。

根據(jù)“黑洞無毛”定律，黑洞確實很簡單，所有的黑洞都有質(zhì)量，根據(jù)其電荷與旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，黑洞被分為史瓦西黑洞、克爾黑洞和克爾-紐曼黑洞等。這些黑洞的存在和結(jié)構(gòu)，是由愛因斯坦場方程的相應(yīng)解所預(yù)言的。

說到這里，該談?wù)剱垡蛩固箤诙囱芯康呢暙I。其實，我們知道，愛因斯坦去世于1955年，所以，在愛因斯坦活著的時候，還沒有“黑洞”這個詞。但是，愛因斯坦的相對論是研究黑洞的重要工具。這一點，被霍金充分地意識到了。根據(jù)廣義相對論，當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡其核燃料時將會向自身坍縮。霍金和他的合作者證明了，大質(zhì)量恒星會繼續(xù)坍縮直至達到具有無限密度的奇點。至少對于該恒星以及在它上面的一切，這個奇點即是時間的終點。任何通過事件視界掉進黑洞的東西都會在奇點達到其時間的終結(jié)。

黑洞并不完全“黑”

談到“時間的終結(jié)”，似乎容易讓人聯(lián)想到世界末日，其實并沒有那么可怕。物理學(xué)對黑洞的研究，脫離了道德和宗教的范疇，在一定程度上，這種研究只是一種智力游戲。對物理學(xué)家霍金來說，黑洞的研究工作給了他很多快樂。

1970年的一個晚上，正當(dāng)霍金要上床睡覺的時候，他突然對黑洞問題有了靈感。他忽然意識到，他和他的同事彭羅斯所發(fā)展的一種數(shù)學(xué)技巧可以用于黑洞研究。特別是對于黑洞的邊界，即事件視界的研究。他們發(fā)現(xiàn)，黑洞視界的面積不會隨時間減小；而且，當(dāng)兩顆黑洞碰撞并合并成一顆單獨的黑洞時，最終黑洞的視界面積比原先兩顆黑洞的視界面積的和更大。這就為黑洞碰撞時可能發(fā)射的能量立下了一個重要的限制。這個發(fā)現(xiàn)令霍金在那個夜晚激動不已，以至于難以入眠。

到1973年，霍金得到了更為令人吃驚的發(fā)現(xiàn)：黑洞并不完全“黑”！當(dāng)時，霍金開始研究量子力學(xué)中的測不準原理對于處在黑洞附近彎曲時空的粒子的效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，測不準原理允許粒子和輻射以穩(wěn)定的速率從黑洞漏出來。這個結(jié)果使幾乎所有人，甚至包括他自己都大吃一驚。因為，他從沒有想過，黑洞可以如同一個熱體一樣有輻射行為。這就是有名的“霍金輻射”。

依據(jù)另一位物理學(xué)家費曼的理論，測不準原理以某種方式允許粒子從黑洞中逃逸出來。對于一顆太陽質(zhì)量的黑洞來說，粒子必須超光速運動幾千米，所以其逃逸的概率非常低。它顯示引力坍縮并不像過去以為的那樣是死亡的結(jié)局，黑洞中粒子的歷史不必在一個奇點處終結(jié)，相反，它們可以從黑洞中逃逸出來，并且在外面繼續(xù)它們的歷史。量子原理在向人們這樣暗示：也許人們可以研究宇宙，到時候，可以避免在時間的起源處有一個開端，也就是說，宇宙也許是無始無終的。當(dāng)然了，這只是一個猜想，也是個非常困難的問題。因為宇宙的起源問題實在太復(fù)雜了，要比黑洞的問題復(fù)雜得多。

黑洞的研究展望

黑洞作為最受關(guān)注的物理課題之一，對現(xiàn)代物理的影響不可不謂大。弦論是物理學(xué)的前沿，在解決黑洞的許多未知之謎中，已經(jīng)取得了很大成果。黑洞的難題有很多，包括黑洞熵的起源，黑洞的信息丟失等等問題。在弦論中，對黑洞熵的問題，已經(jīng)有一些很好的思路和辦法。但是，距離完全解決這些問題，還有很長的道路要走。

我們知道，科學(xué)實驗的進展，也會促進理論的研究。對于黑洞而言，實驗科學(xué)家們正在設(shè)計這樣的實驗，由大型加速器制造“微型黑洞”，對這種黑洞的研究也可以推動物理學(xué)的發(fā)展。科學(xué)家們認為，如果真的能觀察到“微型黑洞”，就能給弦論提供明確的驗證，這是一種很有希望的檢驗弦論的方法。當(dāng)然，可以想象，這種實驗的難度是非常大的。

霍金以研究黑洞而聞名于世。有一次，他和另兩個物理學(xué)家朋友打賭，霍金認為，宇宙中不可能存在裸奇點。結(jié)果不到4個月之后，他就發(fā)現(xiàn)自己要輸：黑洞在經(jīng)過“霍金輻射”后可能保留一個裸奇點。后來，美國科學(xué)家用超級計算機證明，當(dāng)黑洞坍縮時，在非常特別的條件下，裸奇點在理論上是可以存在的。霍金認輸了，給他的朋友們各買了一件T恤衫。但他還是不服氣，雖然在非常特別的條件下存在裸奇點，但在一般情況下，它是被禁止的。霍金還在T恤上寫道：大自然討厭裸露！

的確如此，大自然總是不肯輕易地把自己的秘密示人，只有揭開重重幕布，人們才能看到宇宙正在上演的真實戲劇。而黑洞，在這出宇宙大戲中，扮演著重要而神秘的角色。這也是為什么有這么多科學(xué)家正在研究黑洞的原因。

【責(zé)任編輯】李金

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黑洞探索中的已知和未知

黑洞是廣義相對論預(yù)言在宇宙中存在的一種特殊天體。它之所以有這種的稱謂，是因為所有的外來物質(zhì)的輻射到達它的“范圍”就會被“吞噬”，而且它內(nèi)部的物質(zhì)和輻射也都無法跑到外面去，好像一個無比深黑的“洞”。理論的預(yù)言尚需科學(xué)觀測來證實其存在。就像旋渦中心一樣，黑洞是看不見的。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，我們?nèi)裟苷业胶诙搓幱埃涂梢哉J為找到了黑洞存在的最終證據(jù)。于是，20世紀以來，天文學(xué)家傾注了大量精力和興趣在無垠的宇宙中進行搜尋，到2003年底，科學(xué)家認為最可能的候選者約有33個，它們大部分存在于很多星系的核心中。最近報道，在我們銀河系的銀心中可能存在的黑洞，其質(zhì)量有300萬個太陽的質(zhì)量。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的宇宙中最古老的黑洞形成時間在127億年前，即在形成宇宙的大爆炸之后大約1億年。它的重量是銀河系所有恒星的總和，體積大到裝下我們1000個太陽系還有余。

我們?yōu)槭裁匆芯亢诙矗刻煳膶W(xué)中很多研究看似和生活毫無干系，但是卻能幫助人類更好地了解外部世界。黑洞，是研究宇宙起源的關(guān)鍵問題之一。愛因斯坦的廣義相對論是黑洞理論的依據(jù)，而霍金又將量子論引入其中，提出了“黑洞不黑”“黑洞既吞又吐”的重要理論。關(guān)于黑洞的起源、黑洞是否會消亡，現(xiàn)在都尚無定論。待這一切都揭開面紗后，科學(xué)家還能運用其原理為人類造福，如曾有天文學(xué)家表示，要制造一個天體物理學(xué)意義的超級武器，也有人提出過黑洞計算機的設(shè)想。

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黑洞還會“唱歌”

天文學(xué)家在去年發(fā)現(xiàn)黑洞也會“唱歌”。不過，黑洞發(fā)出的天籟之音凡人的耳朵根本無法欣賞。它過于低沉，頻率只有人耳所能聽到的最低聲音的上千萬億分之一，是迄今在宇宙中探測到的最低沉的聲音。英國劍橋天文學(xué)研究所的一個小組，利用美國宇航局的“錢德拉”X射線太空望遠鏡，探測到了英仙座星系團中央一個超大質(zhì)量黑洞所發(fā)出的聲波。這個星系團距離地球約2.5億光年。“錢德拉”望遠鏡共觀測到這個黑洞產(chǎn)生的多道聲波波紋。天文學(xué)家們分析后發(fā)現(xiàn)，這些波紋間相隔1000萬年的周期。也就是說，該黑洞發(fā)出的聲波每1000萬年振動一周。據(jù)此，天文學(xué)家們推算出了黑洞“歌聲”的音調(diào)等特征。?天文學(xué)家們說，如果用音樂術(shù)語來表述，這個黑洞發(fā)出的是降B音。它與鋼琴上比鍵盤中央C音略高的最近一個降B音鍵的聲音音名相同，但音高卻低了57個八度，或者說頻率只及鋼琴發(fā)出的降B音的約300萬億分之一。

【責(zé)任編輯】蒲暉