沖出黑洞

許　皓

不論是頂尖的物理學家，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，美國物理學家約翰·惠勒提出了“黑洞”(black hole)這個專有名詞?；艚饘Υ说脑u價是：“這真是一項天才之舉。”他認為，在科學研究中，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，更容易滿足人們關于科學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，他寫了一篇有關的論文。在文章中，他引用牛頓的萬有引力理論說，假設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。法國著名的天文學家和數(shù)學家拉普拉斯，也作過同樣的預言。

1915年，愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論，在更高層面的理論上預言了黑洞。1939年，美國理論物理學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?！蹦敲?，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來檢測其存在。事實上，現(xiàn)代天文學家們對黑洞的研究，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“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，科學家們怎么研究這個黑家伙呢？

現(xiàn)在，關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)”沒有任何關系。這項定律是由著名的物理學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解所預言的。

說到這里，該談談愛因斯坦對黑洞研究的貢獻。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，當大質(zhì)量恒星耗盡其核燃料時將會向自身坍縮?；艚鸷退暮献髡咦C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??；而且，當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”！當時，霍金開始研究量子力學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。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雜了，要比黑洞的問題復雜得多。

黑洞的研究展望

黑洞作為最受關注的物理課題之一，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，科學實驗的進展，也會促進理論的研究。對于黑洞而言，實驗科學家們正在設計這樣的實驗，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的發(fā)展。科學家們認為，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，美國科學家用超級計算機證明，當黑洞坍縮時，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家正在研究黑洞的原因。

【責任編輯】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”。理論的預言尚需科學觀測來證實其存在。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?？茖W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?？天文學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，科學家還能運用其原理為人類造福，如曾有天文學家表示，要制造一個天體物理學意義的超級武器，也有人提出過黑洞計算機的設想。

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黑洞還會“唱歌”

天文學家在去年發(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?！板X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，天文學家們推算出了黑洞“歌聲”的音調(diào)等特征。?天文學家們說，如果用音樂術語來表述，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。

【責任編輯】蒲暉