黑洞:另一個世界的秘密

黑洞是宇宙中最為奇特的物理現(xiàn)象之一，它密度巨大，引力驚人，即便是光也無法逃脫它的“勢力范圍”。黑洞里面是一個現(xiàn)實世界無法理解的地方，一切現(xiàn)有物理規(guī)律，無論是牛頓力學(xué)、相對論甚至那本身已經(jīng)足夠怪異的量子論對它都不適用。“黑洞”無疑是本世紀最具爭議的天文學(xué)說之一，有關(guān)黑洞新的理論不斷地提出，舊的理論不斷被否定，就連天才霍金也曾承認：“關(guān)于黑洞我可能弄錯了。”然而黑洞這個深奧難懂的話題卻吸引了無數(shù)人的好奇心，因為它似乎與我們的世界密切相關(guān)。請看以下幾則新聞報道。

新聞報道１：在浩瀚的銀河系的中心，有一個超級黑洞在不停地吞噬周邊的物質(zhì)。除此之外，銀河系中還有成百上千個中型黑洞，它們也在瘋狂地吸取物質(zhì)。人們擔心，總有一天，地球也會被黑洞吸進去，人類及其創(chuàng)造的文明就再也回不來了……

新聞報道２：國外媒體報道，自從蒸汽機被發(fā)明以來，人類再一次研制出了在一些人眼中具備“摧毀地球”能力的科學(xué)機器，這就是大型強子對撞機（LHC）。這個關(guān)于“地球毀滅”故事源于大型強子對撞機的工作原理。粒子物理學(xué)家在對撞隧道內(nèi)加速粒子并進行碰撞，產(chǎn)生出非常高的能量。當這些粒子的質(zhì)量開始卷曲，并小于史瓦西半徑所要求的粒子質(zhì)量時，就會形成了一個微小的黑洞。人們擔心，這個似乎從潘多拉盒子中跑出的怪物開始一點點地吞噬周圍的物質(zhì)，并逐漸長大，直到最后將地球徹底吞掉。

新聞報道３：英國《每日郵報》報道，俄羅斯宇宙學(xué)家維切列夫?道庫恰耶夫稱，盡管黑洞被認為是太空中最具破壞性的力量，然而它內(nèi)部的環(huán)境條件卻適合生命存在，更令人震驚的是，擁有“超級文明”的外星人可能已存在于黑洞里。人們好奇，黑洞中真的存在高等生命嗎？

黑洞為何如此神秘？人們?nèi)绾文苡^測到黑洞？銀河中的黑洞離我們有多遠？黑洞會吞噬地球嗎？黑洞內(nèi)部可能存在外星人嗎？本刊記者帶著這些問題采訪了北京師范大學(xué)物理系劉文彪教授，請他就上述問題從科學(xué)角度進行了解讀。

黑洞為何如此神秘？

《百科知識》：在高深的天體物理科學(xué)中，“黑洞”似乎是我們最熟悉的詞語之一了，但仔細一想，卻好像又說不出個所以然來。黑洞到底是什么？

答：從天文學(xué)角度講，黑洞是一種非常神秘的天體：恒星級黑洞的體積很小，但密度卻大得驚人，每立方厘米就有幾百億噸甚至更高。由于它的密度大，所以引力也特別強大。不管什么東西，只要被它吸進去，就別想“爬”出來，連速度最快的光也逃脫不掉黑洞的巨大引力。黑洞按其體積可分為大、中、小三類。我們常說的中型黑洞是大質(zhì)量恒星在生命終結(jié)時，經(jīng)歷爆發(fā)、內(nèi)陷和坍縮后留下的，它是恒星晚期演化的一種歸宿。而大型黑洞則存在于很多星系的核心中，包括銀河系。小黑洞是一種原初黑洞，可能形成于宇宙早期。小黑洞的體積只有原子核那么大，質(zhì)量和一座山差不多，達到上億噸，里面蘊藏的能量相當于10個大型的發(fā)電站。

《百科知識》： 我們常說的黑洞是大質(zhì)量恒星衰亡后坍縮形成的，這個過程是如何實現(xiàn)的？

答：當一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，恒星開始塌縮；如果恒星的剩余質(zhì)量不大，最后形成白矮星或中子星。但如果剩余的質(zhì)量超過3~4個太陽的質(zhì)量，它就再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最后形成體積非常小、密度非常大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（小于史瓦西半徑），質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”誕生了。

《百科知識》：是不是所有恒星最后坍塌后都形成黑洞？太陽衰亡后也會成黑洞嗎？

答：并不是所有的恒星都能成為黑洞，只有巨大的恒星，即最終剩余的物質(zhì)質(zhì)量大于3個太陽質(zhì)量時，恒星將不斷塌縮，巨大的引力將切斷星體中所有物質(zhì)與外界的聯(lián)系，最終形成黑洞。因為太陽質(zhì)量小，所以它衰亡后是不會成為黑洞的。

《百科知識》：為什么黑洞會吸入星際物質(zhì)？它為什么會有那么強的吞噬能力？

答：這主要還是通過強大的引力場。一般來說，通常人們提及的黑洞大多是指由于大質(zhì)量的恒星崩坍后形成了體積足夠小、引力場足夠強的天體。只要物質(zhì)進入到其鄰近的一定區(qū)域內(nèi)，黑洞就可以吸進包括光線在內(nèi)的任何東西，使它們無法以任何物理機制獲得向外逃逸的機會。宇宙黑洞是靠狂吞周圍星體的氣體、光線來不斷膨脹。 但關(guān)鍵問題是這個“怪物”的胃口到底有多大？這樣一直無休止地“大吃大喝”，它是怎么辦到的？這在目前還是一個有爭論的謎。

人類如何觀測到黑洞？

《百科知識》：由于黑洞本身不發(fā)光，所以人類用任何強大的望遠鏡都看不見黑洞，我們怎樣知道它的存在？

答：我們無法直接觀測到黑洞，因為任何東西，包括光線一旦進入其邊界就無法逃脫它的吸引，活像一個有魔力的無底洞。但我們卻可以間接觀測到黑洞。當恒星繞著黑洞轉(zhuǎn)，并最終掉入黑洞時，會非常的亮。尤其是當恒星離黑洞的距離大概是兩到三個史瓦西半徑時，會發(fā)生閃耀現(xiàn)象，這是因為恒星被撕成了碎片。宇宙當中也存在很多氣體，氣體距離黑洞越來越近的時候，可以通過觀測看到是否有黑洞吸積物質(zhì)。

《百科知識》：宇宙中有多少黑洞？

答：黑洞是由于質(zhì)量大的恒星死亡后，在自身塌陷后形成的密度異常大，引力異常大的天體。因此，只要有質(zhì)量足夠大的恒星，其死亡后，就很可能形成黑洞?？梢?，宇宙中黑洞數(shù)不勝數(shù)。銀河系中存在數(shù)百億顆恒星，有10億顆發(fā)著黃光的老年恒星。一些科學(xué)家認為，如果按常規(guī)推測，每天至少有1顆恒星死亡，因此可以判斷我們銀河系存在的黑洞必定不會少。

《百科知識》：有新聞報道說銀河系中央有一個巨大的黑洞？

答：通過觀測發(fā)現(xiàn)，每個巨大星系中心都存在超巨大黑洞。銀河系中有數(shù)百億顆恒星，他們都在圍繞著銀河系的中心高速旋轉(zhuǎn)，是什么力量帶動這些恒星旋轉(zhuǎn)？一定有一個非同尋常的巨大引力在牽引這些恒星。對這個中心我們無法直接看到其內(nèi)部，但通過對恒星的運動軌跡的觀測，可以算出其中心的質(zhì)量，據(jù)推測它很可能是一個超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量大約是太陽的400萬倍，但占據(jù)的空間很小，通過吞噬周圍的星際氣體不斷成長。也就是說我們所居住的銀河系的中心部位，所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)。目前觀測到的距離地球最近的黑洞應(yīng)該就在銀河系中，銀河系的直徑在13萬光年的量級，而太陽距離銀河系的中心大約為2.6萬光年，因此實際上我們距離銀河系的中心黑洞并不遙遠。而銀河系中太陽系附近的其他恒星系統(tǒng)中，很有可能就有恒星級的黑洞存在，它們和我們的距離有可能更近。

黑洞會對人類造成威脅嗎？

《百科知識》：您剛才說，銀河系中存在很多黑洞，黑洞能夠吞噬包括恒星在內(nèi)的任何物質(zhì)，只要離它足夠近。黑洞又不是固定不動的，那么有一天它游離到太陽系附近，黑洞會吞噬太陽嗎？

答：無論是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞還是恒星級的黑洞，目前看來沒有對地球產(chǎn)生異常影響的任何跡象。黑洞確實可以吞掉地球，但問題在于我們地球甚至太陽系并不在黑洞吞噬和吸引范圍之內(nèi)。即使太陽系周圍確實存在巨大的黑洞，甚至我們太陽在銀河系里圍繞著一個黑洞在旋轉(zhuǎn)，這個黑洞就是很強的引力場，這與我們地球圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)沒有本質(zhì)的區(qū)別。

《百科知識》：如果有一天真的在太陽系旁發(fā)現(xiàn)了大黑洞，那么對我們有什么影響嗎？

答：像黑洞誕生和形成這樣的天文事件是以千萬年甚至億年來計算的。與之相比，人類太渺小和短暫了，所以即使離地球較“近”的黑洞有什么變化，也是極其緩慢的，很難在未來千年的尺度上發(fā)生什么大變化，也就不會對地球產(chǎn)生什么實質(zhì)性的影響。即使是新觀測到銀河系或其他星系某個黑洞的存在，它也是早已在那里存在，不會因為你發(fā)現(xiàn)了它，而有什么異常的變化。宇宙中天體的形成和演化類似于我們地球上生命的誕生和消亡，只是時間和空間尺度更大而已，本是十分平常的事情。我們大可不必為發(fā)現(xiàn)了黑洞而擔心，因為我們的天文觀測可以看到數(shù)十億甚至上百億光年的距離，是否發(fā)現(xiàn)黑洞只是我們對宇宙的認識是否更多一些而已。