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科学探索黑洞之谜

2015-10-30

文/飞碟探索

有关黑洞的六个趣话
“黑洞”,自从它在200余年以前被预言存在开始,就让多少人为此振奋不已、浮想联翩,许多科学家为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,相继提出了一个又一个新观点、新理诊。尤其是在20世纪,爱因斯坦笔下计算出的“时间曲率”所衍生的“黑洞奇点”,以及霍金提出的“黑洞蒸发”理论,将人们对黑洞的痴迷推到了一个新的境地。到了21世纪,由于黑洞仍然没有被证实,同时它又给人们留下太多悬念,所以,它无疑仍然是21世纪最具挑战性、也最容易让人激动不已的天文学前沿课题。甚至有人说,破解黑洞之谜者,将会成为诺贝尔物理学奖的候选人。为了使更多读者了解黑洞知识,并由此丰富想象力、增强创新力,本文将有关黑洞的六个趣话介绍给读者,雅俗共赏。


之一:银河系中心有黑洞吗?

在1995年,科学家观测一个名为MCC—6—30~15的活跃星系时,发现来自这个星系中心的X射线发生了引力红移。

所谓引力红移,用爱因斯坦的广义相对论来解释,就是在强引力作用下出现的时间似乎变慢(其实是光波长变长)的现象,这是非黑洞理论无法解释的。这个现象被确认,其意义就相当于直接观测到黑洞。于是,很多科学家由此达成共识:所有星系的中心都应存在巨型黑洞,我们的银河系也不例外。

然而,2007年美国航空航天局出人意料地宣布,天文学家在紧邻银河系中心的区域发现了数十颗庞大而且非常明亮的恒星。这一发现让专家感到万分诧异:如果银河系中心存在一个巨型黑洞,那么在黑洞附近是不可能存在任何天体的。也就是说,发现这数十颗庞大的恒星,将银河系中心存在巨型黑洞的可能性几乎降为零。

在星系中心是否有黑洞的问题上,上述两种观测结果相互矛盾,在人们感到困惑的同时,也更激起人们揭开黑洞神秘面纱的兴趣。那么,黑洞到底是个什么样的奇怪天体?

早在1783年,英国剑桥大学的约翰·米歇尔便撰文指出,一个质量足够大并足够紧致的恒星会有极其强大的引力场,以致连光都不能逃逸。这样的恒星,虽然我们无法看到它们发出的光,但却可以感受到它们的巨大引力。

1798年,法国著名数学家、天文学家拉普拉斯根据牛顿的引力定律也预言了黑洞的存在。他说:“一个密度如地球而直径为250个太阳的发光恒星,由于其引力的作用,将不允许任何光线离开它。由于这个原因,宇宙中最大的发光天体也不能被我们看见。”当时,他称这种天体为“黑暗的一团”。

在那个时代,有关黑洞的预言可以说是比较离奇的,很难被人们接受。因此在相当长的一段时间里,黑洞的预言没有引起人们足够的关注。

进入20世纪,广义相对论的发表在整个科学界引发震动,其中的一些论点支持了上述黑洞的预言。爱因斯坦通过严格计算发现,这种特殊天体所产生的引力非常强大,能够扭曲空间与时间,将大量物质与能量压缩到一个很小的点——奇点——上,没有任何物质能够从中逃脱,即便是光也没有可能。

此后,德国天文学家K.史瓦西于1916年提出了广义相对论球对称引力场的严格解,并在其中明确地提出了黑洞设想。他认为,在高致密天体或大质量天体周围的某一区域内,逃逸速度等于光速,任何物质和辐射都不能逸出。也就是说,当恒星的半径小于一特定值时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。这就是后来在天文学上常说的“史瓦西半径”。

1939年,美国物理学家奥本海默根据广义相对论证明,一颗质量足够大的恒星(超过太阳质量的3.2倍)在自身引力的作用下,将能坍缩到它的引力半径范围内,它发射出的光或其他粒子,都不能逃出这个范围。

科学家给黑洞设的基本定义是:它是一个具有封闭视界的天体,引力巨大,外来的物质和辐射能进入视界以内,但视界内的任何物质(包括光线)都不能跑到外面来。这个视界就是黑洞的边界。根据这一描述我们可以发现,如果银河系中心有一个巨型黑洞的话,由于它具有巨大引力,可以将周围的所有物质都吸进去。也就是说,如果黑洞周围有恒星的话,它们必将被撕裂后吸入黑洞之中。然而奇怪的是,天文学家在紧邻银河系中心的区域内,竟然发现了数十颗体形完好且庞大无比的恒星。这一发现基本上排除了银河系中心有巨型黑洞的说法。

星系的中心究竟有没有黑洞?还是银河系只是一个特例?另外,假如银河系中心有黑洞的话,它会不会因为一种特殊的原因,可以将包括恒星在内的其他物质“关”在门外?类似这样的一些问题,有待于科研人员不断探索,逐步找到正确的答案。





之二:黑洞何时露出真面目?

星系的中心究竟有没有黑洞?宇宙空间中真实的黑洞究竟在哪里?时至今日,寻找黑洞的工作已经进行了半个多世纪了,人们是否找到了黑洞的影子?

要想找到黑洞,就必须对黑洞的特性进行了解,从而为捕捉到黑洞创造条件。目前,在天文学家心目中,黑洞是这样一种奇特的天体:它的体征类似星球又不是星球。说它类似星球,是因为它也有一个圆的总体体征并汇集到一个点上,只不过它的密度非常大,靠近它的物体都被它的引力所约束,不管用多大的速度都无法逃离,我们看到的只是漆黑一片。说它不是星球,是因为它根本就不是星体,而只是宇宙空间中的一个区域。这个区域的表面像是一个封闭的“膜”,人们把这个“膜”称为视界。这个视界将黑洞内部与外部完全隔离开来,外面是宇宙空间,而里面则是另一个世界。

黑洞视界的里面非常奇妙,令人向往也令人恐惧。假如一位宇航员拿着时钟到达黑洞视界边缘,时钟就会停止;而宇航员会在进入视界的一瞬间就像被抻长了的面条那样断成一节节,然后以光速向黑洞中心坠落。在黑洞中心,所有物质彼此极其紧密地挤压在一起,成为一个密度无限大但体积为零的点,人们称这个点为黑洞奇点。

从黑洞的特性上我们可以知晓,它完全是隐形的,想直接观测到它根本没有可能。因此,搜索黑洞的工作是极其困难的,只能从它对外界产生的影响和发生的某种作用上去推测。

起初,天文学家希望黑洞恰巧是双星系统中的一个成员,这样就可以从某’一颗星围绕着不明天体旋转时,觉察到黑洞并将其找出来。按照这一思路,轰动一时的黑洞候选者——御夫座э星——脱颖而出。在这个双星系统中,主星是一颗明亮的超巨星,用肉眼便可以看见,而它的伴星却看不见。天文学家虽然不敢确定这颗伴星就是黑洞,但根据目前的观测资料又不能完全排除这一可能性。

另有科学家认为,对宇宙中的x射线源进行观测,也可以帮助人们找到黑洞,因为物质在以极快的速度沿视界附近的螺旋曲线向黑洞中心坠落时,会发射出很强的X射线。于是,天鹅座X-1就成为天文学家公认的最有希望的黑洞候选者。

天文学家通过观测和分析发现,天鹅座X-1的主星是一颗蓝超巨星,它的大量气体物质正源源不断地流向相邻的、看不见的X射线伴星(如题图),而且这颗伴星的质量远远超过了中子星的质量极限。因此,它极有可能就是黑洞。

就天鹅座X-1是否是黑洞的问题,研究界发生了激烈的争论,以致两位国外较著名的科学家都为它打赌,输者要给赢者订阅1年的杂志,但至今尚未见分晓。

之后,天文学家又从银河系及麦哲伦星云中发现了几个类似天鹅X-1的天体,这些都是疑似黑洞的证据。然而,这个结论还不能下得太早,有待于科学家进一步证实。

而1995年观测到的引力红移现象,无疑是最为接近的发现黑洞的证据。因为到目前为止,用不是黑洞的各种理论都无法解释引力红移现象。由此,人们倍感兴奋,距离发现黑洞的时刻似乎越来越近了。

然而,还是有一些科学家对此冷另眼相看,根本不看好黑洞之说,认为黑洞本身仅仅停留在理论预言的阶段,并且这个理论本身的一些论证尚处于无法被基本逻辑接受的状态(例如黑洞的中心奇点问题,连广义相对论的创始人爱因斯坦后来都对此感到疑惑,著名天文学家爱丁顿也认为中心奇点是荒唐的,所以一些科学家对黑洞持否定的态度也就不足为奇了)。但是,两位当代著名物理学家彭罗斯和霍金已从理论上严格证明,黑洞的中心奇点是广义相对论的必然推论。退一步说,如果黑洞中心不是奇点状态又应该是一种怎样的状态呢?这让人们更加疑惑,他们到底孰是孰非?

我们相信,随着科学家的不断努力,黑洞的真面目将会被逐步揭开。到那时,人类对自然界的认识,必将得到一次新的飞跃。




之三:白洞存在吗?

自20世纪下半叶以来,由于空间探测技术在天文观测中的广泛应用,科学家陆续发现了许多高能天体物理现象,例如x射线爆发、伽马射线爆发、超新星爆发、星系的活动和爆发,以及类星体、脉冲星等。这些高能天体物理现象用人类已知的物理学定律已无法做出解释,这就使得科学家猜测,应该有一个与黑洞特性相反的天体,它就是白洞。

那么,科学家是如何描绘白洞的呢?一些科学家猜测,白洞有一个类似黑洞的封闭世界,但与黑洞不同的是,白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向外运动,外界的物质和各种辐射却无法通过边界进入它的内部。

这种初步的猜测很快就引起一些科学家的质疑:具有一定质量引力的白洞,凭什么将它周围的物质拒之门外?

于是有人为白洞假说进行补充,认为白洞虽然是一个物质只出不进的天体,但无法否认白洞也具有强引力源,它可以将周围的尘埃、气体和各种辐射不断吸引到它的边界上,只不过这些物质并不能进入自洞内部,只能在边界外形成一个包围白洞的物质层。但是,包围在白洞周围的物质层为什么只待在边界上,不向引力的中心区靠拢呢?

南开大学天文学教授苏宜认为,白洞纯粹是从理论中引申出来的概念,没有任何事实根据。引申的理由就是物质世界的对称性(对称性是20世纪末物理学中最重要的中心思想之一)。

基于这一点,科学家认为白洞与黑洞是对称的一对相反天体。对此,有学者表示异议。这位学者认为,一些科学家往往只关注了黑洞与白洞之间的对立性,却将它们之间的联系切断了,这在思维逻辑上是不严谨的。他认为白洞与黑洞虽然是具有对称性的天体设想,但这种对称性并不是人们所得出的“完全相反”的结论,也不是两种天体相互对立的景象,而是某一天体在演化过程的不同阶段的不同表现特征。也就是说,天体可以由白洞演化成黑洞,黑洞也可以在一定条件下演化成白洞。

目前,关于白洞是怎样形成的,科学家主要持有两种不同的见解。一种观点认为,当宇宙诞生的那一刻,由于爆炸的不完全性和不均匀性,可能会遗留一些超高密度的物质暂时尚未爆炸,而是等待一定的时间后才开始膨胀和爆炸。这些遗留下来的致密物质即成为新的局部膨胀的核心,它就是白洞。另一种观点认为,白洞可能直接由黑洞转变过来。具有代表性的当属英国天体物理学家霍金,他认为黑洞具有一定的温度,会以类似于热辐射的方式稳定地向外发射各种粒子,这就是所谓的“自发蒸发”理论。黑洞的蒸发速度与黑洞的质量和密度有关,蒸发的过程如果越演越烈,就会以一种反坍缩式的猛烈爆发而结束。这个过程正好就是不断向外喷射物质的白洞。

甚至还有学者认为,根本就不存在白洞,它只不过是黑洞与恒星之间演化过渡的一个角色。按照这一说法,太空中存在黑洞的地方,有可能过不久就会突然冒出一颗亮星来;如果它喷发的亮度特别大,就极有可能是由黑洞蒸发出来的。与此相反,原本一个明亮的天体(例如遥远的类星体)说不定哪一天突然不见了(变成了黑洞),再过一段时间,从它消失的位置上又突然爆发出亮光来。如是这般,白洞之说就是多此一举了,更何况,如今连黑洞是否真实存在还是个未知数,更何谈白洞!只有等到黑洞被证实之后,白洞的说法才能提到日程上来。

白洞究竟是否存在?它与黑洞到底是什么关系?相信在不远的将来,这些疑难问题会水落石出的。





之四:黑洞是时空隧道的入口吗?

真的有“时空隧道”吗?读者可否知道,比白洞之说更离奇的还有“虫洞”之说。虫洞是连接黑洞与白洞的某种神秘通道,在它里面可以快于光速的速度做宇宙旅行,可以使时光倒流。

此说源于1988年。美国天文学家索恩和他的两名学生,共同发表文章论述了虫洞的特性,并认为如果虫洞开通了黑洞与白洞两个奇点之间的一条神秘通道(这条通道开在现实的三维空间之外的超空间里),就可以通过这条捷径从黑洞钻进奇点,然后从另一个非常遥远的白洞奇点钻出。这样的一种旅行是即时的,等效于超越光速。

然而,一些科学家对此结论难以接受。霍金一开始就持反对态度,认为时间只能向前不能向后的特性是不容破坏的,物理学定律不允许有什么“时间机器”可以使时光倒流。但索恩的回答是:“在物理学深刻认识量子引力理论之前,我们谁也不能下结论。”美国物理学家福特和罗曼也撰文指出,爱因斯坦的相对论并没有严格排除快于光速的旅行或时光旅行。英国牛津大学的理论物理学教授强森也相信,有朝一日,人类将能够遨游宇宙,纵横古今。

就在两种对立的说法相持不下时,霍金改变了态度。他在为美国天文学家劳伦斯·克罗士出版的新书《星旅物理学》所作的序中,大胆推翻了自己过去的假设,公开承认了时光旅行的可能性。他说:“当科学尚未能让人类登上前所未有的奇妙境地之前,科幻小说早已使我们在各种异想天开的可能性中先行尽游……”他表示,一旦把爱因斯坦的相对论及量子论结合在一起思考,发觉超光速星际旅行极可能会造成使人们回到过去的结果时,天文物理学已迈向一个崭新的纪元!

时至今日,相信人类能够通过所谓的超光速旅行而回到过去的人越来越多。这不只是因为人们对时光倒流的奇妙想法极为热衷,更关键的是它与奇点理论相衬托,甚至有很多真实事件能够佐证。

1975年,美国国家航空公司的一架波音737客机正准备在迈阿密国际机场降落。突然,飞机从航管员控制的雷达屏幕上消失,航管员还以为发生了坠机事件。过了10分钟,该机又从它在雷达屏幕消失的位置上奇迹般出现,令航管员惊讶不已。飞机降落后,有关人员前往调查,机上所有人都说没有发生任何异常。不过,最使人不解的是,飞机上所有人的手表及机上的航空钟都离奇地比地面时间慢了10分钟。这消失的10分钟到哪里去了?在那奇妙的10分钟里,飞机又到了哪里?根据爱因斯坦的相对论,只有飞机加速到接近光速时,这种情况才有可能出现。

类似的事件还有数十起,这些传闻虽然未经官方证实,听起来“神乎其神”,但按照黑洞理论去对照,这些事情是有可能发生的。在黑洞中,时间和空间的概念截然不同,用“洞中方一日,世上已千年”来描述都不能算是确切的。因为在这个“洞”中连1秒的时间都没有,没有时间也就没有三维空间,完全是即时的。

现今世界上出现的很多不解之谜,只要与时间和空间有关,那就预示着与黑洞有关。不过,有学者持相反意见,认为任何三维物体都不能进入黑洞,只能不相容地“穿”过黑洞。以“穿”过黑洞作为捷径,能够节省大量的时间和消耗,这应该是一种比较现实的时空隧道。

究竟有没有时空隧道?它是人们的科幻作品,还是确有其事?由于它与黑洞紧密相关,所以,随着黑洞之谜的逐步破解,时空隧道的真实面目也会显露出来。

之五:黑洞奇点面临的挑战

根据广义相对论,黑洞的引力是如此强大,能够扭曲空间与时间,将大量的物质与能量压缩到一个很小的、没有空间的奇点上,没有任何物质能够从中逃脱。但事实真的如此吗?

20世纪70年代,霍金是坚持黑洞奇点假说的。但根据量子力学“信息不会消失”这一基本原则,他的假设与量子力学相矛盾,并且始终无法化解这一矛盾。后来,霍金终于公开表态放弃自己关于信息消失的假设,向黑洞奇点的热议泼了一盆冷水。

美国的几位研究人员在对量子引力做深入研究时,通过复杂的计算证实:黑洞奇点的存在是不被量子引力所允许的,因此黑洞奇点是不可能存在的。这意味着,尽管黑洞中心可能非常致密,但还不足以永远俘获住所有信息。专家对此评论说:“这项研究成果为许多新的解释敞开了一扇大门,它或许将引领物理学研究超越爱因斯坦。”这项研究虽然否定了奇点之说,但却没有直接否定黑洞的存在。与此不同的是,另有一些科学家则干脆提出,所谓的黑洞纯属子虚乌有,根本就不存在。

无独有偶,中国的天文学研究者也公开了一项研究成果,得出了一个与前人完全不同,甚至会让现今所有人都感到惊奇的结论:宇宙大爆炸发生时,假如我们能够听到它爆发的声音,那么我们听到的将不是一声巨响,而是两声巨响。他们通过严密的论证证明,“天体坍缩定律”所形成的“自然法则”,恰好让“黑洞奇点”无法出现。

这一研究成果的大意是:在宇宙之始,一个自转着的“原始火球”发生爆发(坍缩),会导致三种不同的情况:

1.“原始火球”极地区域的自转线速度接近零,因此这一区域基本上是静止的。天体爆发时,被抛射出去的物质均做直线运动,快速远离中心区。天体坍缩时,向内坍缩的物质也均做直线运动,快速冲向中心点。当两极坍缩达到一定的力度时,就会在中心点上相撞。必然使该天体从内部爆炸。如果该天体的质量小便导致它坍缩的力度小,向内坍缩的物质就到不了中心点,该天体坍缩的结果就会形成中子星。

2.“原始火球”赤道区域的自转线速度是最快的,因此这一区域一直是运动的。天体爆发时,被抛射出去的物质不是以直线运动的方式快速远离中心区,而是以曲线运行逐渐远离中心区并形成旋涡状,它们最容易保留在爆发前“火球”的赤道延长线上。天体坍缩时。向内坍缩的物质也不是以直线运动的方式直接指向中心区,而是以曲线运行逐渐接近中心区。这一坍缩方式必然导致中心区在物质密度加大的同时自转加速,这就是中子星密度大而自转特别快的原因。

3.在“原始火球”的其他区域,自转线速度快于极地区域而慢于赤道区域,并随纬度的高低而不同。天体爆发时,被抛射出去的物质分别同时以螺旋的轨道逐渐远离中心。天体坍缩时也是如此,只不过方向是向内收拢。

根据上面的分析,该研究成果做出结论:天体爆发(坍缩)时,人们会听到第一声巨响;当两极的坍缩物质以极快的速度到达中心时,会以巨大无比的威力相撞,这时人们会听到第二声巨响。之后,“火球”中心的物质会被立即炸成无数个质量巨大、密度极高的物质团块,这些团块四处飘散,但不会走得太远,可形成球状星团聚集在“火球”中心附近,根本就不能将所有物质都坍缩进黑洞奇点中。这一结论,与对银河系观测得到的结果极其相符。

上述研究成果仅仅是一家之言,还没有得到科学界的认可,有待于科学家进行论证,以鉴别真伪。




之六:黑洞究竟是否存在?

有研究者指出,黑洞可以暗能量的形式存在。暗能量黑洞内部没有质量也没有密度,整体以虚空的形式产生巨大的负压以排斥有形物体,从而形成黑洞。当宇宙、超星系团、星系团、星系形成时,天体巨大的爆发力和坍缩力可在一瞬间达到光速,而所有达到光速的区域,都形成了暗能量黑洞。

那么,如何理解这个暗能量黑洞?

研究者的解释是,我们所在的这个看得见的有形物质世界,是建立在无形暗能量世界之上的;前者有时空概念,而后者没有时空概念。在无形暗能量世界中,一切暗能量都是超光速的;而在有形的物质世界中,一切都是亚光速的。光速是两个不同世界的分水岭。

不知道大家是否还记得,爱因斯坦在相对论中多次用“爱因斯坦”号列车来举例说明时空的相对关系。这位研究者则用航天飞机来表述暗能量黑洞的特殊性质:

假设:从甲地到乙地的距离是72万千米,航天飞机的航速是24万千米/时。因此按照常规,从甲地到乙地的飞行时间应是3小时。但是,因为在从甲地到乙地的必经之路上有一个暗能量黑洞,这个黑洞的直径是24万千米,于是奇迹发生了——航天飞机从甲地到乙地实际只用了2小时。

这是什么原因呢?原来,当航天飞机的头部刚刚接触到暗能量黑洞区域的边界线时,它同时已经从另一端出了边界线。尽管如此,这架航天飞机没有断成两截,它始终是完整的。

但是,有一件奇怪的事情必然要发生。’假设航天飞机是在早上8时起飞的,那么,在甲地给航天飞机送行的人,以及在乙地准备迎接航天飞机的人,当然,也包括乘坐航天飞机的人,此时他们的手表所指向的时间全都是8时。可是,当航天飞机穿越黑洞抵达乙地时,曾在甲地送行的人和正在乙地迎接航天飞机的人,他们的手表所指向的时间仍然是11时;而航天飞机上乘客的手表所指向的时间却是10时。所差的时间,正好是穿越暗能量黑洞节省的时间。按照这一结果来类推,航天飞机穿越的黑洞越多,它所节省的时间也就越多。

这个暗能量黑洞给人们留下了这样的印象:它没有什么引力,不会把它附近的物质吸进去,只是一个不容三维物质进入的特殊区域;这个特殊区域中的任何一个点,不但时间等于零,而且它的空间对于三维物质而言也等于零。因此,无论什么三维物质穿过它时,都是即时性的。

但是,一维性的光线通过它时则会发生不同的情况。光线穿过黑洞时会因某种未知原因发生频率变慢的情况,而频率变慢即意味着波长变长,这可能就是科学家观测MCG-6-30-15时,发现来自这个星系中心的x射线产生引力红移现象的原因。

另外,天体爆发所形成的暗能量黑洞,会像一个被吹大了的气球一样早晚要破碎,形成无数个四处飘散和小型暗能量黑洞;而天体坍缩所形成的暗能量黑洞,则会向中心会聚形成巨型暗能量黑洞。按照这一推论,星系的中心应该是存在暗能量黑洞的。天文学家在紧邻银河系中心的区域内发现了数十颗庞大而且非常明亮的恒星,但这一发现并不能完全排除银河系中心存在一个巨型黑洞的可能,只不过这个巨型黑洞不是物理黑洞(黑洞奇点),而可能是暗能量黑洞。

究竟有没有暗能量黑洞?有什么办法能够发现它的身影?它那四处飘散的“尸体”是否曾经造访过地球?这许许多多引人入胜的问题,正等待着人们去探索。

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