有關(guān)黑洞的前世今生

　　盧昌海：1971年生，曾就讀于杭州第二中學(xué)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士，科普作家。為本刊撰寫(xiě)過(guò)多篇物理學(xué)前沿科普文章?，F(xiàn)居紐約。
　　
　　如果要在科學(xué)術(shù)語(yǔ)中評(píng)選幾個(gè)最吸引大眾眼球的術(shù)語(yǔ)，“黑洞”無(wú)疑會(huì)名列前茅。事實(shí)上，這個(gè)試圖把自己遮蓋得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的家伙不僅頻繁出沒(méi)于科幻故事中，而且在新聞媒體上也有不低的出鏡率。前不久，一條有關(guān)美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)現(xiàn)“最年輕黑洞”的新聞就被媒體競(jìng)相轉(zhuǎn)載。而有關(guān)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有可能因產(chǎn)生微型黑洞而毀滅地球的傳聞，更是在過(guò)去幾年時(shí)間里反復(fù)出現(xiàn)在各大媒體的顯著位置上，甚至還將美國(guó)和歐洲的司法界都卷入其中——有人試圖通過(guò)法律手段來(lái)制止對(duì)撞機(jī)的啟用，以“拯救”地球。在對(duì)撞機(jī)開(kāi)始試運(yùn)行的2008年9月，在印度還發(fā)生了“一個(gè)‘黑洞’引發(fā)的血案”——一位16歲的花季女孩因擔(dān)心微型黑洞毀滅世界而自殺。
　　攪起如此風(fēng)波的黑洞究竟是什么東西呢？在本文中，我們就圍繞這兩條新聞來(lái)談?wù)労诙吹那笆澜裆?br/>　　
　　到底什么是黑洞
　　黑洞這個(gè)概念的起源通常被回溯到1783年。那一年，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家米歇爾利用牛頓萬(wàn)有引力定律和光的微粒說(shuō)得到了一個(gè)推論，那就是一個(gè)密度與太陽(yáng)相同的星球如果直徑比太陽(yáng)大幾百倍，它的表面逃逸速度將會(huì)超過(guò)光速。這意味著該星球?qū)h(yuǎn)方觀測(cè)者來(lái)說(shuō)將成為一顆“暗星”——作為微粒的光將無(wú)法從它表面逃逸。不久之后，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯在《世界體系》一書(shū)中也提出了那樣的推論。這個(gè)在今天看來(lái)只有中學(xué)水平的推論，就是黑洞概念的萌芽。
　　但這個(gè)萌芽很快就枯萎了。枯萎的原因是它所依賴(lài)的前提之一——光的微粒說(shuō)在科學(xué)界失了寵，被“波動(dòng)說(shuō)”所取代。波動(dòng)說(shuō)顧名思義，就是把光看成是一種波。牛頓引力對(duì)光波會(huì)有什么影響？卻是一個(gè)誰(shuí)也答不上來(lái)的問(wèn)題。既然答不上這個(gè)問(wèn)題，光能否從星球表面逃逸之類(lèi)的問(wèn)題也就無(wú)從談起了。因此自《世界體系》的第三版開(kāi)始，拉普拉斯悄悄刪除了有關(guān)黑洞的文字，他這個(gè)“與時(shí)俱進(jìn)”的做法基本上為牛頓理論中的黑洞概念畫(huà)上了句號(hào)。
　　黑洞概念的卷土重來(lái)是在20世紀(jì)初。那時(shí)候，愛(ài)因斯坦剛剛提出了廣義相對(duì)論。1916年初，被第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)火卷到前線，且罹患天皰瘡，“陽(yáng)壽”只剩五個(gè)多月的德國(guó)物理學(xué)家史瓦西得到了廣義相對(duì)論的一個(gè)解——史瓦西解。從這個(gè)解中，我們可以得到很多推論，比方說(shuō)如果把太陽(yáng)壓縮成一個(gè)半徑不到3公里的球體，外部觀測(cè)者就將再也無(wú)法看到陽(yáng)光，這就是現(xiàn)代意義的黑洞。與米歇爾和拉普拉斯的“暗星”不同，現(xiàn)代意義的黑洞具有很豐富的物理內(nèi)涵，并且不依賴(lài)于類(lèi)似光的微粒說(shuō)那樣的前提。
　　遺憾的是，史瓦西解的那些推論在很長(zhǎng)時(shí)間里不僅沒(méi)有被人們所完全了解，反而遭來(lái)了一些針對(duì)黑洞的反對(duì)意見(jiàn)，就連愛(ài)因斯坦也曾提出過(guò)一些如今看來(lái)很幼稚的反對(duì)意見(jiàn)。不過(guò)，東邊不亮西邊亮，另一個(gè)方向上的研究，即對(duì)白矮星的研究，卻殊途同歸地將物理學(xué)家們引向了黑洞。
　　
　　恒星變老之后就成了黑洞
　　白矮星是耗盡了核聚變能量后的老年恒星，它們的質(zhì)量與太陽(yáng)相仿，塊頭卻跟地球差不多，因而密度極高（一湯匙的白矮星物質(zhì)就有好幾噸重）。白矮星的發(fā)現(xiàn)給科學(xué)家們帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：恒星之所以能穩(wěn)定存在，是因?yàn)閮?nèi)部核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的巨大輻射壓抗衡住了引力，但像白矮星那樣不再有大規(guī)模核聚變反應(yīng)的天體又是如何“維穩(wěn)”的呢？這是一個(gè)很困難的問(wèn)題。
　　當(dāng)人們?yōu)檫@一問(wèn)題傷腦筋時(shí)，一門(mén)新興學(xué)科——量子力學(xué)——已經(jīng)成熟了起來(lái)。量子力學(xué)中有一條“泡利不相容”原理。按照這條原理，電子是一群極有個(gè)性的家伙，每一個(gè)都堅(jiān)持擁有獨(dú)一無(wú)二的狀態(tài)。如果你想壓制這種“個(gè)性”，它們就會(huì)“殊死抗?fàn)帯保@種抗?fàn)幵诤暧^上會(huì)體現(xiàn)為一種巨大的壓強(qiáng)，叫作“電子簡(jiǎn)并壓”。白矮星主要就是依靠這種壓強(qiáng)來(lái)抗衡引力的。 當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為，這就是恒星的終極“養(yǎng)老方案”，因?yàn)橛?jì)算表明，“電子簡(jiǎn)并壓” 在任何情況下（即對(duì)于任何質(zhì)量的恒星）都足以抗衡引力。
　　然而一位印度青年無(wú)情地粉碎了這個(gè)美好的“養(yǎng)老方案”，此人名叫錢(qián)德拉塞卡，這次美國(guó)發(fā)現(xiàn)最年輕黑洞的“錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡”就是以他名字命名的。1930年，本科剛畢業(yè)的錢(qián)德拉塞卡在研究白矮星時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)出人意料的結(jié)果，那就是如果將相對(duì)論效應(yīng)考慮在內(nèi)，電子簡(jiǎn)并壓將大為減弱，尤其是當(dāng)白矮星的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍時(shí)，電子簡(jiǎn)并壓將無(wú)法抗衡引力?？呻娮雍?jiǎn)并壓是當(dāng)時(shí)已知的能使老年恒星抗衡引力的唯一機(jī)制，如果它不管用了，那老年恒星的命運(yùn)會(huì)是什么樣的呢？這一問(wèn)題使很多人深感不安，其中包括重量級(jí)的英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓。愛(ài)丁頓表示，這個(gè)結(jié)果是荒謬的，大自然一定會(huì)讓恒星“老有所依”。用今天的眼光來(lái)看，這是一種沒(méi)什么說(shuō)服力的單純信念式的表態(tài)。不過(guò)當(dāng)年這一表態(tài)卻給錢(qián)德拉塞卡帶來(lái)了很大麻煩，他的論文直到一年多之后，才在遙遠(yuǎn)的美國(guó)找到一份雜志發(fā)表。
　　后來(lái)人們知道，恒星的“養(yǎng)老方案”其實(shí)不是唯一的，當(dāng)電子簡(jiǎn)并壓無(wú)法抗衡引力時(shí)，老年恒星還有另一種歸宿，那就是中子星。中子星是一種密度比白矮星還高一億倍(一湯匙中子星物質(zhì)可以有幾億噸重)的天體，它依靠的是與電子簡(jiǎn)并壓相類(lèi)似、但更為強(qiáng)大的中子簡(jiǎn)并壓。不過(guò)可惜的是，后者的強(qiáng)大也是有限度的，當(dāng)中子星的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的3倍時(shí)，中子簡(jiǎn)并壓也會(huì)敗下陣來(lái)，這時(shí)恒星就真的沒(méi)救了，它的歸宿只有一個(gè)，那就是黑洞。因此黑洞不僅是史瓦西解（以及后來(lái)發(fā)現(xiàn)的若干其他解）的推論，也是大質(zhì)量恒星演化的必然歸宿。
　　
　　怎樣才能找到黑洞
　　所有這些都只是理論，接下來(lái)的問(wèn)題是：像黑洞那樣“黑”的東西，如何才能得到觀測(cè)上的證實(shí)？解鈴還需系鈴人，能幫助我們觀測(cè)黑洞的，恰恰是那個(gè)使黑洞變“黑”的幕后推手——引力。黑洞雖然不發(fā)光，它的巨大引力卻足以造成許多極為顯著的觀測(cè)效應(yīng)，比方說(shuō)，如果黑洞附近有足夠多的物質(zhì)，甚至有大質(zhì)量的伴星，黑洞的巨大引力就會(huì)吞噬那些物質(zhì)，那些物質(zhì)在掉進(jìn)黑洞之前會(huì)發(fā)射出強(qiáng)烈的X射線。探測(cè)這種X射線因此成了探測(cè)黑洞最重要的手段之一。
　　好了，現(xiàn)在讓我們?cè)賮?lái)談?wù)勀莾蓷l新聞。錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡之所以能用來(lái)尋找黑洞，正是利用了物質(zhì)在掉進(jìn)黑洞之前會(huì)發(fā)射大量X射線這一特點(diǎn)。此次發(fā)現(xiàn)的黑洞之所以被稱(chēng)為“最年輕”，是因?yàn)樗挥?1歲，它是31年前的一次超新星爆發(fā)的遺跡。需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，這個(gè)黑洞位于距我們5000萬(wàn)光年之遙的一個(gè)旋渦星系中，我們?nèi)缃窨吹降闹皇撬?000萬(wàn)年前所發(fā)射的X射線，它的真實(shí)年齡是5000萬(wàn)歲而不是31歲。我們?cè)趺粗浪呛诙茨?？那是因?yàn)樘煳膶W(xué)家利用X射線能譜等數(shù)據(jù)估算了它的質(zhì)量，結(jié)果約為太陽(yáng)質(zhì)量的5～10倍，超過(guò)了中子星的最大可能質(zhì)量。這就是“最年輕黑洞”這一頭銜的由來(lái)。
　　
　　黑洞會(huì)吞噬地球嗎
　　接下來(lái)我們?cè)僬務(wù)勊^大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有可能因產(chǎn)生微型黑洞而毀滅地球的傳聞。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)能量為7萬(wàn)億電子伏特，按照廣義相對(duì)論，那樣的對(duì)撞機(jī)不會(huì)產(chǎn)生黑洞。7萬(wàn)億電子伏特在微觀上雖是一個(gè)很高的能量，用宏觀標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量卻只相當(dāng)于一千萬(wàn)分之一焦耳，這一丁點(diǎn)兒能量若想形成黑洞，除非是把它壓縮到一個(gè)線度為一千億億億億億億分之一米的區(qū)域內(nèi)，這比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的最小線度小了一億億億億倍，因此是絕不可能產(chǎn)生微型黑洞的。
　　既然如此，為什么仍有那么多人擔(dān)心微型黑洞呢？因?yàn)樗麄儽澈笥小案呷恕痹谥更c(diǎn)，那些“高人”為他們的擔(dān)心注入了一條重要理由，那就是在某些現(xiàn)代物理理論（比如超弦理論）中，時(shí)空有不止四個(gè)維度。由于引力與時(shí)空密切相關(guān)，因此時(shí)空若有不止四個(gè)維度，引力的規(guī)律也將有所不同，而引力的規(guī)律一旦不同， 產(chǎn)生黑洞的條件就會(huì)發(fā)生變化。理論計(jì)算表明，在那些帶有額外維度的理論中，確實(shí)存在一些尚未被實(shí)驗(yàn)所排除的參數(shù)范圍，使得大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有可能產(chǎn)生黑洞。
　　幸運(yùn)的是，即便那些理論是正確的，而參數(shù)也恰好處在能使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生黑洞的范圍內(nèi)，那樣的黑洞依然不可能毀滅地球。因?yàn)楹诙催€有一個(gè)我們尚未介紹的重要特點(diǎn)，那就是它并不是全“黑”的。1974年，英國(guó)物理學(xué)家霍金發(fā)現(xiàn)，由于量子效應(yīng)的影響，黑洞會(huì)向外輻射能量。這種所謂的霍金輻射對(duì)于大質(zhì)量黑洞來(lái)說(shuō)是微乎其微的，但對(duì)微型黑洞卻極為顯著，而且在時(shí)空有不止四個(gè)維度的情況下依然存在。計(jì)算表明，由于霍金輻射的存在，即便大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠產(chǎn)生黑洞，那些黑洞也會(huì)在瞬息之間就“人間蒸發(fā)”，別說(shuō)毀滅地球，就連侵吞一兩個(gè)原子都未必來(lái)得及。
　　至此，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有可能因產(chǎn)生微型黑洞而毀滅地球的傳聞似乎該煙消云散了。但事實(shí)卻不然，有些人依然表示懷疑，因?yàn)榛艚疠椛渖形幢挥^測(cè)證實(shí)過(guò)。雖然有關(guān)微型黑洞毀滅地球的擔(dān)心本身也是建立在尚未被觀測(cè)證實(shí)過(guò)的理論之上的，但當(dāng)科學(xué)家們用同樣的理論來(lái)回答時(shí)，有些人卻拒絕接受。對(duì)于這種近乎偏執(zhí)的懷疑，有一樣?xùn)|西可以替科學(xué)家們作出回應(yīng)，那就是宇宙射線。
　　大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是人類(lèi)迄今所建能量最高的對(duì)撞機(jī)，但浩瀚的宇宙卻有各種辦法產(chǎn)生比那高得多的能量。觀測(cè)表明，我們所棲居的地球每秒鐘都會(huì)受到十萬(wàn)次以上的超高能宇宙射線的轟擊，那些宇宙射線與地球物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)所具有的能量比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能量更高，而且那樣的轟擊自地球誕生以來(lái)從未間斷過(guò)（相當(dāng)于每時(shí)每刻都有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在運(yùn)行）。 如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)果真有產(chǎn)生微型黑洞并毀滅地球的風(fēng)險(xiǎn)，那樣的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該早就被宇宙射線轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)了。我們今天仍能爭(zhēng)論這一問(wèn)題本身，就很好地說(shuō)明了那樣的風(fēng)險(xiǎn)并不存在。事實(shí)上，如果我們把眼光放得更遠(yuǎn)一點(diǎn)，那么不僅地球每時(shí)每刻都受到大量超高能宇宙射線的轟擊，表面積比地球大一萬(wàn)多倍的太陽(yáng)更是一個(gè)大得多的靶子，如果那樣的轟擊有危險(xiǎn)的話(huà)，太陽(yáng)無(wú)疑會(huì)比地球死得更快。因此，包括太陽(yáng)在內(nèi)所有恒星的存在全都是極強(qiáng)的證據(jù)，表明大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)因產(chǎn)生微型黑洞而毀滅地球的風(fēng)險(xiǎn)是完全可以排除的。
　　事實(shí)上，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)若果真能產(chǎn)生微型黑洞的話(huà)，那不但不是什么風(fēng)險(xiǎn)，反而是了不起的實(shí)驗(yàn)成就，因?yàn)槟遣粌H是對(duì)某些現(xiàn)代物理理論的絕佳檢驗(yàn)，而且還是研究霍金輻射的最好、甚至有可能是唯一的手段。
　　（就在本文清樣時(shí)，媒體報(bào)道歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的首次對(duì)撞試驗(yàn)已進(jìn)行，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)迷你黑洞?！【幾ⅲ?br/>