黑洞乎？墓星乎？

陳壯叔

黑洞也許是最奇怪的天體，科學(xué)家甚至社會(huì)大眾，都對(duì)它頗感興趣。

黑洞這一概念可追溯到第一次世界大戰(zhàn)之時(shí)。當(dāng)時(shí)身在前蘇聯(lián)前線的德國(guó)天文學(xué)家斯瓦茲在解愛因斯坦的引力方程時(shí)發(fā)現(xiàn)，大質(zhì)量恒星周圍的時(shí)空將被極大地彎曲，以致把一個(gè)很大的星球擠壓到一個(gè)很小的空間之內(nèi)，而其密度將變成無(wú)限大。斯瓦茲的看法發(fā)表后，物理學(xué)家既感到好奇，也給予認(rèn)同。當(dāng)時(shí)愛因斯坦本人也接受這一思想，不過他認(rèn)為這只是一個(gè)學(xué)術(shù)問題，宇宙中是否真的有黑洞，那又是另一回事了。但科學(xué)界逐漸地相信黑洞確實(shí)存在。他們認(rèn)為，一個(gè)大質(zhì)量星球最后將以超新星爆發(fā)的形式終其一生，此時(shí)留下的(原星體)核心部分，若其質(zhì)量為太陽(yáng)的兩倍，那么宇宙中便沒有一種力量能阻止引力把它擠壓成一點(diǎn)，這就是奇點(diǎn)。在這個(gè)無(wú)限大密度的奇點(diǎn)上，一切已知的物理定律皆失效。而奇點(diǎn)有一個(gè)外“層”，稱為視界，它是一種空間的邊界，而并非一個(gè)物質(zhì)構(gòu)成的實(shí)體。奇點(diǎn)及其外層的視界便構(gòu)成了黑洞。最令人感到驚奇的是，任何物質(zhì)或輻射(如光)，一旦穿入視界，就永無(wú)出來(lái)之日，它們都被吞入到奇點(diǎn)之中了!不過迄今，沒有一個(gè)確切的觀察證據(jù)能表明黑洞的存在。

最近有兩位美國(guó)科學(xué)家，公然挑戰(zhàn)黑洞，他們說(shuō)，大質(zhì)量恒星的最終結(jié)局不是黑洞，而是他們所稱的“墓星”。按摩吐拉和麥查的看法，墓星是一個(gè)極冷的空殼，殼層極薄而異常密實(shí)，殼層內(nèi)卻是一個(gè)具有彈性的奇異空間。它也不發(fā)光，但當(dāng)有物質(zhì)落到殼層上時(shí)，它就發(fā)出強(qiáng)光，那是因?yàn)檫@些物質(zhì)在墓星的強(qiáng)引力作用下，跟殼層發(fā)生非常劇烈地碰撞，以致它們完全轉(zhuǎn)變成能量。

我們知道，在星系(包括我們銀河系)中心，懸著一個(gè)重達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的密實(shí)天體，很多科學(xué)家都說(shuō)，那就是一個(gè)黑洞。這是因?yàn)槿藗冇^察到一些熱量、氣體和塵粒，都向它盤旋而去，且輻射出明亮的X射線。而摩吐拉等說(shuō)，這并不意味著這個(gè)中心天體就是災(zāi)變性的黑洞，這可能只是一個(gè)極大質(zhì)量的天體，或者說(shuō)它可能是一個(gè)墓星。

他們說(shuō)，即使不考慮缺乏有關(guān)黑洞的確切觀察證據(jù)，黑洞理論本身也存在不少問題，至少它的存在確實(shí)難以置信。最根本的一條，斯瓦茲的想像跟宇宙實(shí)際不大一樣。斯瓦茲的黑洞論僅來(lái)自愛因斯坦理論，問題也正在這里。我們的宇宙世界，大至幾百萬(wàn)到近億光年跨度的星系團(tuán)、超星系團(tuán)，小至基本粒子(電子、質(zhì)子等)，它們小于1／1000納米，前者是相對(duì)論描述的對(duì)象，而后者卻是量子論的天地。如果要對(duì)宇宙做出恰當(dāng)?shù)孛枋?，那就必須把這兩個(gè)理論結(jié)合起來(lái)。

麥查和摩吐拉對(duì)量子引力論(即將上述兩種理論結(jié)合起來(lái)的一種理論)已研究了近10年，他們觀測(cè)了時(shí)空和能量場(chǎng)(如電磁場(chǎng))中的“量子起伏”。例如真空空間，從來(lái)也不是絕對(duì)空的，在最微小的尺度上，基本粒子不斷地出現(xiàn)和消失，使空間變成了一個(gè)沸騰的大海洋。我們之所以感覺不出來(lái)，是因?yàn)樗鼈兲⑿×?，但這種微觀尺度上的量子起伏，卻能影響到大尺度上的引力行為(如黑洞)。而早期的這些黑洞理論家，都忽視了量子效應(yīng)，從而提出了一種不切實(shí)際的概念。按他們的看法，斯瓦茲的黑洞概念就是這種不切實(shí)際的一例。

例如按黑洞的傳統(tǒng)理論，黑洞應(yīng)具有很高的熵。可是當(dāng)恒星變成黑洞時(shí)，該星的全部物質(zhì)和信息似乎都被擠壓到奇點(diǎn)之中，甚至被擠壓掉(指信息)。而現(xiàn)行黑洞理論卻認(rèn)為，黑洞的熵要比原恒星的大上億萬(wàn)倍(即黑洞所含的信息量更大)。摩吐拉問道，這些額外的熵從何而來(lái)?它們又藏于何處?這是完全不能理解的。

另一個(gè)不可能的情況是，當(dāng)光子落入黑洞時(shí)，它首先要通過視界，而一旦碰上視界，光子將獲得無(wú)限大的能量。但如此大的能量出現(xiàn)時(shí)，將引起強(qiáng)烈的引力效應(yīng)，而現(xiàn)行黑洞理論卻無(wú)視這個(gè)問題。上述這些情況，都是黑洞理論中存在的根本性矛盾，也不是修修改改就可以補(bǔ)救的。

前面已談到，大質(zhì)量星球在強(qiáng)大引力的作用下，出現(xiàn)了星球的引力塌縮，致使天文尺度的星核越縮越小，而密度也當(dāng)然越來(lái)越高。這樣，反過來(lái)使其自身的引力越來(lái)越強(qiáng)，故最終塌縮成一點(diǎn)。這不是很合理嗎?但摩吐拉等說(shuō)：不。當(dāng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)處于微觀空間時(shí)，就會(huì)引起強(qiáng)烈的量子效應(yīng)，使得時(shí)空變成一種新的奇異狀態(tài)，這將導(dǎo)致形成一種全新的天體。

這種變化只是一種相變，就像液態(tài)水變成固態(tài)水。他們相信在星核塌縮時(shí)的極端條件下，時(shí)空進(jìn)行了一次量子型的相變。其實(shí)這并非是他們的臆想，我們已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)看到了這一現(xiàn)象。2001年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，就授予了在實(shí)驗(yàn)室中形成這種狀態(tài)的人。一塊原子云轉(zhuǎn)變成一個(gè)巨大的“超級(jí)原子”，此稱玻色——愛因斯坦凝聚(BEC)。普通情況下的一團(tuán)原子，其各原子的狀態(tài)都不一樣，就如街上的行人，他們的步伐、面向、姿態(tài)都不相同。但在接近絕對(duì)零度的一個(gè)瞬間，一團(tuán)原子的狀態(tài)突然一致，有如一個(gè)特大的超級(jí)原子。

當(dāng)視界剛形成于塌縮星的周圍時(shí)，巨大的引力場(chǎng)使得時(shí)空中的量子起伏變得異常強(qiáng)烈，并激發(fā)時(shí)空產(chǎn)生根本變化。這一過程十分類似BEC的形成，從而創(chuàng)造了一個(gè)凝聚泡，這個(gè)泡的壁(即殼層)是由引力能組成的，而殼層內(nèi)的時(shí)空具有一種奇異特性，即它有一種向外施加壓力的性質(zhì)。

摩吐拉和麥查稱，墓星比黑洞有更多的優(yōu)點(diǎn)：首先，墓星也是一個(gè)愛因斯坦方程的穩(wěn)定解；第二墓星不像黑洞那樣，它沒有數(shù)學(xué)上的麻煩，這里沒有不講理的奇點(diǎn)；第三，墓星的熵要比其母星(即原塌縮星)低得多，從而不存在折磨黑洞的高熵。

例如，一個(gè)具有50個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的天體，若按黑洞理論說(shuō)，此黑洞的半徑約為150千米(即奇點(diǎn)至視界的距離)，而墓星的直徑也為300千米(即星殼的直徑)，殼層的厚度僅為10－35米，一茶匙的殼層物質(zhì)可達(dá)1億噸。墓星極冷，僅為絕對(duì)零度之上1℃。對(duì)科幻謎來(lái)說(shuō)，墓星比黑洞還要冷酷：當(dāng)你被黑洞吸去時(shí)，你能穿越視界，且不會(huì)感到碰上了什么，此后你越來(lái)越快地向奇點(diǎn)奔去，在近奇點(diǎn)處被撕得粉碎；而墓星更是不客氣，它完全拒人于大門之外，當(dāng)你飛向墓星時(shí)，一碰上殼層，不是被撕碎而是完全消失，變成了純引力能。

墓星理論還可解釋一些迄今無(wú)法解釋的天文現(xiàn)象。例如γ射線暴，這是電磁輻射線中能量最高的一種。人們不知它出于何種原因，有些人把它訴諸于黑洞的形成，可是黑洞形成時(shí)需要聚集足夠的能量，而不是釋放能量，只有墓星形成時(shí)異常激烈，并將輻射出很大能量，倒適合于對(duì)γ射線暴進(jìn)行解釋。

還有一個(gè)更大的問題。3年前，來(lái)自遙遠(yuǎn)天體爆炸的信息暗示出，我們的宇宙一直在加速膨脹，而不是像大爆炸論所預(yù)言的那樣，宇宙的膨脹應(yīng)慢慢地減速。許多科學(xué)家對(duì)此頗感驚訝，最后把它歸因于“暗能量”，它給空間以外向的壓力(即斥力)。摩吐拉說(shuō)，若把墓星的大小看成跟宇宙的大小相似，那么其內(nèi)部的真空壓力，大致上跟宇宙加速膨脹的壓力相匹配，故我們可能生活在一個(gè)宇宙性的墓星上，其巨大的殼層抓住了我們的銀河系和所有的星系。摩吐拉猜測(cè)：“我們可能要接受一個(gè)真實(shí)的根本看法，即我們和萬(wàn)物皆處在這樣一個(gè)星體之內(nèi)。”他還補(bǔ)充說(shuō)：“這樣的看法是成熟的，因?yàn)榭赡艿男碌挠钪鎸W(xué)模型，都包含在對(duì)墓星的解釋中。”

與此同時(shí)，他們正努力去區(qū)分黑洞和墓星(恒星級(jí))。它們之間的差別是很微妙的，畢竟在黑洞視界和墓星殼層的外面，都同樣暗黑并具有極強(qiáng)的引力場(chǎng)。但墓星也有可能發(fā)出極明亮的光，因?yàn)槁涞侥剐菤由系奈镔|(zhì)將轉(zhuǎn)變成引力能或輻射，而黑洞則是吞食了全部的落入物質(zhì)或能量。

摩吐拉等說(shuō)，他們最近找到了一個(gè)確認(rèn)墓星存在的有力證據(jù)。2001年10月，一些天文學(xué)家報(bào)告說(shuō)看到了一個(gè)像是大質(zhì)量的黑洞，但飛向黑洞的物質(zhì)，卻輻射出強(qiáng)X光，遠(yuǎn)比理論預(yù)言的亮得多。超過的能量大致上相當(dāng)于100億個(gè)太陽(yáng)能量的輸出，這使理論家們困惑難解。而摩吐拉認(rèn)為，對(duì)如此巨大的額外能量的最好解釋，舍墓星而無(wú)他。因?yàn)楫?dāng)恒星、氣體、塵粒紛紛快速落到墓星殼層時(shí)，其猛烈程度使它們完全轉(zhuǎn)化成了引力能，并以明亮的X射線顯現(xiàn)出來(lái)。

墓星概念提出以來(lái)，貶褒不一。黑洞問題專家艾伯蘭·摩惠茲說(shuō)，這個(gè)概念“非常輝煌”，“它獨(dú)有和明顯的特征，將解釋一些高能天體物理現(xiàn)象，如γ射線暴。”而物理學(xué)家華特說(shuō)：“當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量恒星在其災(zāi)變性地塌縮中，如何形成墓星，他們沒有提出足夠的論據(jù)?！?/p>

麥查和摩吐拉也承認(rèn)，他們的理論有待改進(jìn)，墓星殼層的奇異物質(zhì)的特性，仍處在爭(zhēng)議之中。他們希望別的科學(xué)家加入到這一研究中來(lái)：“我們真的為未來(lái)的研究，開辟了一個(gè)新方向?！?/p>

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