黑洞

英·斯蒂芬·威廉·霍金

黑洞這一術(shù)語是不久以前才出現(xiàn)的。它是1969年美國科學(xué)家約翰·惠勒為了形象地描述至少可回溯到200年前的這個(gè)思想時(shí)杜撰的名字。那時(shí)候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說，另一種是光由波構(gòu)成的光波動(dòng)說。我們現(xiàn)在知道，這兩者實(shí)際上都是正確的。由于量子力學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動(dòng)說中，不清楚光對(duì)引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。人們起先以為，光粒子會(huì)無限快地運(yùn)動(dòng)，所以引力不可能使之慢下來，但是羅默關(guān)于以有限速度進(jìn)行的發(fā)現(xiàn)意味著引力對(duì)之可有重要效應(yīng)。

1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，于《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章。他指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠致密的恒星會(huì)有如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，甚至連光線都不能逃逸：任何從恒星表面發(fā)出的光，在還沒到達(dá)遠(yuǎn)處就會(huì)被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然由于從它們那里發(fā)出的光不會(huì)到達(dá)我們這里，我們不能看到它們，但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔?。這正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體。它是名副其實(shí)的——在空間中的黑的空洞。幾年之后，法國科學(xué)家拉普拉斯侯爵顯然獨(dú)自提出和米歇爾類似的觀念。非常有趣的是，拉普拉斯只將此觀點(diǎn)納入他的《世界系統(tǒng)》一書的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪去，也許他認(rèn)為這是一個(gè)愚蠢的觀念。

為了理解黑洞是如何形成的，我們首先需要理解一個(gè)恒星的生命周期。起初，大量的氣體（大部分為氫）受自身的引力吸引，而開始向自身坍縮而形成恒星。當(dāng)它收縮時(shí)，氣體原子越來越頻繁地以越來越大的速度相互碰撞——?dú)怏w的溫度上升。最后，氣體變得如此之熱，當(dāng)氫原子碰撞時(shí)，它們不再彈開而是聚合形成氦。如同一個(gè)受控氫彈爆炸，反應(yīng)中釋放出來的熱使得恒星發(fā)光。這增添的熱又使氣體的壓力升高，直到它足以平衡引力的吸引，這時(shí)氣體停止收縮。這有一點(diǎn)像氣球——內(nèi)部氣壓試圖使氣球膨脹，橡皮的張力試圖使氣球收縮，它們之間存在一個(gè)平衡。從核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力吸引的平衡，使恒星在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持這種平衡。然而，恒星最終會(huì)耗盡它的氫和其他核燃料。貌似大謬，其實(shí)不然的是，恒星初始的燃料越多，它則燃盡得越快。這是因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量越大，它就必須越熱才足以抵抗引力。而它越熱，它的燃料就被耗得越快。我們的太陽大概足夠再燃燒50多億年，但是質(zhì)量更大的恒星可以在１億年這么短的時(shí)間內(nèi)耗盡其燃料，這個(gè)時(shí)間尺度比宇宙的年齡短得多了。當(dāng)恒星耗盡了燃料，它開始變冷并開始收縮。隨后發(fā)生的情況只有等到20世紀(jì)20年代末才會(huì)初次被人們理解。

（選自《時(shí)間簡(jiǎn)史》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社2006年版，有刪改）

賞讀

《時(shí)間簡(jiǎn)史》是一部偉大的科普著作。談及科普讀物，它帶給我們的印象往往是生澀、專業(yè)、枯燥的，讀者們都會(huì)默契地對(duì)其敬而遠(yuǎn)之。倘若如此，那我們可能永遠(yuǎn)無法透過文字感受科學(xué)的魅力了。

文章開篇詳細(xì)介紹了“黑洞”這一術(shù)語的提出過程，接著具體解釋了“黑洞”這一現(xiàn)象，最后分析“黑洞”的形成。思路清晰，邏輯縝密，值得我們學(xué)習(xí)。我們?cè)陂喿x科普類作品的時(shí)候，應(yīng)關(guān)注作者是如何用生動(dòng)的語言、形象的比喻將抽象的科學(xué)概念、科學(xué)現(xiàn)象解釋得通俗易懂的。細(xì)讀本文你便會(huì)發(fā)現(xiàn)，霍金筆下的“黑洞”并非深?yuàn)W難解，這就源于作者時(shí)而通俗、時(shí)而生動(dòng)的語言。例如，第二段對(duì)于“如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，甚至連光線都不能逃逸”這種現(xiàn)象的解釋，極其通俗易懂；第三段解釋黑洞形成的原因，作者在介紹核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力吸引后的平衡時(shí)以氣球?yàn)橛?，生?dòng)形象，降低了讀者的閱讀難度。