許　皓

不論是頂尖的物理學(xué)家，還是普通大眾，黑洞都是一個(gè)令人著迷的話題。那么，這個(gè)名為“黑洞”的東西，到底是什么呢？拋開(kāi)大眾加于其上的超自然色彩的幻想，即使是最嚴(yán)肅的科學(xué)家，也對(duì)此持有不同的見(jiàn)解。那么，我們就來(lái)了解一下這方面的知識(shí)。

黑洞的由來(lái)

1967年，美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”(black hole)這個(gè)專有名詞?；艚饘?duì)此的評(píng)價(jià)是：“這真是一項(xiàng)天才之舉?！彼J(rèn)為，在科學(xué)研究中，取個(gè)好名字具有不可低估的重要性。那些原先沒(méi)有令人滿意名字的某種對(duì)象，如果能起個(gè)響亮而確切的名字會(huì)刺激科學(xué)研究的進(jìn)程。而“黑洞”這個(gè)名字本身，就具有某種神秘的色彩，更容易滿足人們關(guān)于科學(xué)之謎的某種幻想的欲望，同時(shí)，這個(gè)名詞也為科幻小說(shuō)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(gè)詞出現(xiàn)得很晚，但是，黑洞這個(gè)概念卻在兩百多年前就有人開(kāi)始思索了。1783年，一位名叫約翰·米歇爾的英國(guó)劍橋人，他寫了一篇有關(guān)的論文。在文章中，他引用牛頓的萬(wàn)有引力理論說(shuō)，假設(shè)我們?cè)诘厍虮砻嫔舷蛏习l(fā)射一顆炮彈，在炮彈上升的過(guò)程中，其速度會(huì)因?yàn)榈厍蛞Χ鴾p慢，最終，炮彈會(huì)停止上升而落回到地球上；然而，如果它的初速度大于某個(gè)臨界值，它將永遠(yuǎn)不會(huì)停止上升并落回地面，它會(huì)一直向外運(yùn)動(dòng)，最后遠(yuǎn)離地球，這個(gè)臨界速度就是我們現(xiàn)在所知道的逃逸速度。

這個(gè)劍橋人推論說(shuō)，也許可能有這樣的一顆恒星，它的質(zhì)量非常大，同時(shí)它的半徑非常小，這種特性會(huì)使得其逃逸速度非常大，這個(gè)速度會(huì)比光速還大；如果有這種恒星，那么就會(huì)發(fā)生這樣的情況，從這顆恒星表面發(fā)出的光會(huì)被恒星的引力場(chǎng)拉回去，所以，這顆恒星發(fā)出的光不能到達(dá)我們這里；因此，我們看不到這顆恒星。法國(guó)著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家拉普拉斯，也作過(guò)同樣的預(yù)言。

1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立廣義相對(duì)論，在更高層面的理論上預(yù)言了黑洞。1939年，美國(guó)理論物理學(xué)家?jiàn)W本海默和辛德也對(duì)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(shuō)：“它是黑的，并且看起來(lái)像一個(gè)洞，所以叫它黑洞?！蹦敲矗热晃覀兛床坏胶诙?，怎么知道它的存在呢？只能通過(guò)它的引力場(chǎng)作用到附近物體上的效應(yīng)來(lái)檢測(cè)其存在。事實(shí)上，現(xiàn)代天文學(xué)家們對(duì)黑洞的研究，主要是觀測(cè)黑洞在活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的輻射。

黑洞“無(wú)毛”

讓我們來(lái)看看一個(gè)黑洞是怎么誕生的。太空中，一顆具有十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，在其壽命的末期，當(dāng)其內(nèi)部的核能耗盡，恒星就由于自身的引力開(kāi)始坍縮。隨著恒星收縮，表面上的引力場(chǎng)就變得越來(lái)越強(qiáng)大，逃逸速度就會(huì)增加。當(dāng)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(wàn)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(chǎng)拖曳回來(lái)。根據(jù)狹義相對(duì)論，沒(méi)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(shí)空的一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，光也被關(guān)“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?yàn)樗馁|(zhì)量太大，引力太強(qiáng)，連光都無(wú)法逃逸出來(lái)，所以休想照亮它。那么，科學(xué)家們?cè)趺囱芯窟@個(gè)黑家伙呢？

現(xiàn)在，關(guān)于黑洞最出色的研究成果之一就是“黑洞無(wú)毛”定律。這是一種形象的說(shuō)法，與人們熟知的“毛發(fā)”沒(méi)有任何關(guān)系。這項(xiàng)定律是由著名的物理學(xué)家霍金和另外兩名合作者共同證明的。這個(gè)定律表明，由于引力坍縮，而形成一顆黑洞，這顆黑洞會(huì)迅速地趨向于一種穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)只由三個(gè)參數(shù)來(lái)描述就夠了：質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。由于黑洞可以用如此簡(jiǎn)潔的三個(gè)物理量來(lái)描述，所以，物理學(xué)家惠勒戲稱之為“黑洞無(wú)毛”，反取“毛發(fā)”一詞的紛繁蕪雜之意，意即“黑洞其實(shí)很簡(jiǎn)單”。

根據(jù)“黑洞無(wú)毛”定律，黑洞確實(shí)很簡(jiǎn)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(ài)因斯坦場(chǎng)方程的相應(yīng)解所預(yù)言的。

說(shuō)到這里，該談?wù)剱?ài)因斯坦對(duì)黑洞研究的貢獻(xiàn)。其實(shí)，我們知道，愛(ài)因斯坦去世于1955年，所以，在愛(ài)因斯坦活著的時(shí)候，還沒(méi)有“黑洞”這個(gè)詞。但是，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是研究黑洞的重要工具。這一點(diǎn)，被霍金充分地意識(shí)到了。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)大質(zhì)量恒星耗盡其核燃料時(shí)將會(huì)向自身坍縮?；艚鸷退暮献髡咦C明了，大質(zhì)量恒星會(huì)繼續(xù)坍縮直至達(dá)到具有無(wú)限密度的奇點(diǎn)。至少對(duì)于該恒星以及在它上面的一切，這個(gè)奇點(diǎn)即是時(shí)間的終點(diǎn)。任何通過(guò)事件視界掉進(jìn)黑洞的東西都會(huì)在奇點(diǎn)達(dá)到其時(shí)間的終結(jié)。

黑洞并不完全“黑”

談到“時(shí)間的終結(jié)”，似乎容易讓人聯(lián)想到世界末日，其實(shí)并沒(méi)有那么可怕。物理學(xué)對(duì)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(duì)物理學(xué)家霍金來(lái)說(shuō)，黑洞的研究工作給了他很多快樂(lè)。

1970年的一個(gè)晚上，正當(dāng)霍金要上床睡覺(jué)的時(shí)候，他突然對(duì)黑洞問(wèn)題有了靈感。他忽然意識(shí)到，他和他的同事彭羅斯所發(fā)展的一種數(shù)學(xué)技巧可以用于黑洞研究。特別是對(duì)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(huì)隨時(shí)間減小；而且，當(dāng)兩顆黑洞碰撞并合并成一顆單獨(dú)的黑洞時(shí)，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(shí)可能發(fā)射的能量立下了一個(gè)重要的限制。這個(gè)發(fā)現(xiàn)令霍金在那個(gè)夜晚激動(dòng)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(dāng)時(shí)，霍金開(kāi)始研究量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理對(duì)于處在黑洞附近彎曲時(shí)空的粒子的效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，測(cè)不準(zhǔn)原理允許粒子和輻射以穩(wěn)定的速率從黑洞漏出來(lái)。這個(gè)結(jié)果使幾乎所有人，甚至包括他自己都大吃一驚。因?yàn)椋麖臎](méi)有想過(guò)，黑洞可以如同一個(gè)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(xué)家費(fèi)曼的理論，測(cè)不準(zhǔn)原理以某種方式允許粒子從黑洞中逃逸出來(lái)。對(duì)于一顆太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞來(lái)說(shuō)，粒子必須超光速運(yùn)動(dòng)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(guò)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(gè)奇點(diǎn)處終結(jié)，相反，它們可以從黑洞中逃逸出來(lái)，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(shí)候，可以避免在時(shí)間的起源處有一個(gè)開(kāi)端，也就是說(shuō)，宇宙也許是無(wú)始無(wú)終的。當(dāng)然了，這只是一個(gè)猜想，也是個(gè)非常困難的問(wèn)題。因?yàn)橛钪娴钠鹪磫?wèn)題實(shí)在太復(fù)雜了，要比黑洞的問(wèn)題復(fù)雜得多。

黑洞的研究展望

黑洞作為最受關(guān)注的物理課題之一，對(duì)現(xiàn)代物理的影響不可不謂大。弦論是物理學(xué)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(wèn)題。在弦論中，對(duì)黑洞熵的問(wèn)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(wèn)題，還有很長(zhǎng)的道路要走。

我們知道，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，也會(huì)促進(jìn)理論的研究。對(duì)于黑洞而言，實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們正在設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)，由大型加速器制造“微型黑洞”，對(duì)這種黑洞的研究也可以推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展?？茖W(xué)家們認(rèn)為，如果真的能觀察到“微型黑洞”，就能給弦論提供明確的驗(yàn)證，這是一種很有希望的檢驗(yàn)弦論的方法。當(dāng)然，可以想象，這種實(shí)驗(yàn)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(gè)物理學(xué)家朋友打賭，霍金認(rèn)為，宇宙中不可能存在裸奇點(diǎn)。結(jié)果不到4個(gè)月之后，他就發(fā)現(xiàn)自己要輸：黑洞在經(jīng)過(guò)“霍金輻射”后可能保留一個(gè)裸奇點(diǎn)。后來(lái)，美國(guó)科學(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)證明，當(dāng)黑洞坍縮時(shí)，在非常特別的條件下，裸奇點(diǎn)在理論上是可以存在的?；艚鹫J(rèn)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(diǎn)，但在一般情況下，它是被禁止的?；艚疬€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(kāi)重重幕布，人們才能看到宇宙正在上演的真實(shí)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(xué)家正在研究黑洞的原因。

【責(zé)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(duì)論預(yù)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?yàn)樗械耐鈦?lái)物質(zhì)的輻射到達(dá)它的“范圍”就會(huì)被“吞噬”，而且它內(nèi)部的物質(zhì)和輻射也都無(wú)法跑到外面去，好像一個(gè)無(wú)比深黑的“洞”。理論的預(yù)言尚需科學(xué)觀測(cè)來(lái)證實(shí)其存在。就像旋渦中心一樣，黑洞是看不見(jiàn)的。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，我們?nèi)裟苷业胶诙搓幱?，就可以認(rèn)為找到了黑洞存在的最終證據(jù)。于是，20世紀(jì)以來(lái)，天文學(xué)家傾注了大量精力和興趣在無(wú)垠的宇宙中進(jìn)行搜尋，到2003年底，科學(xué)家認(rèn)為最可能的候選者約有33個(gè)，它們大部分存在于很多星系的核心中。最近報(bào)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(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的宇宙中最古老的黑洞形成時(shí)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(gè)太陽(yáng)系還有余。

我們?yōu)槭裁匆芯亢诙?？天文學(xué)中很多研究看似和生活毫無(wú)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(guān)鍵問(wèn)題之一。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)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(guān)于黑洞的起源、黑洞是否會(huì)消亡，現(xiàn)在都尚無(wú)定論。待這一切都揭開(kāi)面紗后，科學(xué)家還能運(yùn)用其原理為人類造福，如曾有天文學(xué)家表示，要制造一個(gè)天體物理學(xué)意義的超級(jí)武器，也有人提出過(guò)黑洞計(jì)算機(jī)的設(shè)想。

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黑洞還會(huì)“唱歌”

天文學(xué)家在去年發(fā)現(xiàn)黑洞也會(huì)“唱歌”。不過(guò)，黑洞發(fā)出的天籟之音凡人的耳朵根本無(wú)法欣賞。它過(guò)于低沉，頻率只有人耳所能聽(tīng)到的最低聲音的上千萬(wàn)億分之一，是迄今在宇宙中探測(cè)到的最低沉的聲音。英國(guó)劍橋天文學(xué)研究所的一個(gè)小組，利用美國(guó)宇航局的“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)到了英仙座星系團(tuán)中央一個(gè)超大質(zhì)量黑洞所發(fā)出的聲波。這個(gè)星系團(tuán)距離地球約2.5億光年?！板X德拉”望遠(yuǎn)鏡共觀測(cè)到這個(gè)黑洞產(chǎn)生的多道聲波波紋。天文學(xué)家們分析后發(fā)現(xiàn)，這些波紋間相隔1000萬(wàn)年的周期。也就是說(shuō)，該黑洞發(fā)出的聲波每1000萬(wàn)年振動(dòng)一周。據(jù)此，天文學(xué)家們推算出了黑洞“歌聲”的音調(diào)等特征。?天文學(xué)家們說(shuō)，如果用音樂(lè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表述，這個(gè)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(gè)降B音鍵的聲音音名相同，但音高卻低了57個(gè)八度，或者說(shuō)頻率只及鋼琴發(fā)出的降B音的約300萬(wàn)億分之一。

【責(zé)任編輯】蒲暉