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黑洞

2013-01-08


黑洞的出现标志着引力在恒星一生中的引力控制作用取得了最后胜利……恒星的一生就是对自身重量的持久、拼死的反抗。持久,是因为恒星在演化的每个阶段都能有新的能源维持自己;拼死,是因为这个抗争注定要失败。或迟或早,引力终将战胜,恒星终将塌缩。

——【法】天文学家卢米涅(J.P.Luminet)

“宇宙中有没有什么东西质量大到会吸引一切物体,甚至光也不能从他的吸引束缚中逃脱出来。”

18世纪后期(法国大革命时期),法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯——就是那个当拿破仑问,他的著作中为什么没看到上帝,他回答:“陛下,我不需要这个假设”耿直的科学家,在思考这个问题。那时候根据牛顿光理论,光是粒子,并且有一定的运动速度。人们会自然而然的认为光粒子有质量,虽然这个质量小到无法测量。那么根据牛顿万有引力定律可以推导出某一天体的逃逸速度为:

只要将光速和万有引力常数带入到公式中,就可以推测出一类能把发出的光吸引回来的天体。1796年,拉普拉斯在他的《宇宙体系论》中这样记述:

天空中存在着黑暗的天体,像恒星那样大,或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳250倍的明亮星球,它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。

尽管“黑洞”一词迟至1968年才由美国天体物理学家惠勒(J.A.Wheeler)在一次讲座中首先提出。但拉普拉斯描述的正是人们最早的关于黑洞猜想的模型。为了与以后“黑洞”相区别,我们称之为“黑暗星”。黑暗星发出的光全部被自身吸引回去,所以,我们是看不到它的。

1915年12月,爱因斯坦广义相对论发表才刚过一个月,德国天文学家卡尔.史瓦西(K.Schwarzschild)就根据广义相对论得出了一个球状物体周围引力场的特解。其时正值第一次世界大战,史瓦西应征入伍,他从前线将论文寄给爱因斯坦,1916年1月13日爱因斯坦在柏林普鲁士科学院代表史瓦西做了论文报告。并在爱因斯坦给史瓦西的回信中赞扬:“我没料到有人能用如此简洁的方法得出这个问题的精确解,您对问题的解析处理令我极为满意。”4个月后,史瓦西在军队病逝。爱因斯坦痛惜地写道:“无可挽回的死亡带走了他,然而他的著作仍然活着,并给他贡献了全部力量的这门科学带来硕果。”(《爱因斯坦文集》一卷)

拉普拉斯与史瓦西

史瓦西解:

这个解告诉我们:如果致密天体的全部质量压缩在某一半径内,它周围的空间就会弯曲成任何物质和辐射(光)都逃不出来。这个半径我们称之为黑洞“视界”,视界范围内时间和空间都将失去原本意义,所有测量将会失效,也就是说现存物理定律在视界内毫无意义,时间将趋于无限,距离则变成0。视界不是物理实体,它只具有几何位置意义。黑洞物质全部集中于视界内中心几何点,我们称之为“奇点”。

如果将太阳的全部质量都压缩到半径2.95千米范围内,太阳就成了黑洞。如果把地球压缩成8.9毫米,它也将变成黑洞。

值得注意的是,用拉普拉斯逃逸速度的概念也能推导出史瓦西解(维基百科有详解),但拉普拉斯“黑暗星”和“史瓦西黑洞”有本质的不同。不同之处在于:黑暗星是光粒子逃出有飞回;而黑洞则是光子根本不能离开视界,最多也只能贴着视界表面运动。物理解释的差异根本原因还是因为牛顿的经典力学和相对论原理的不相容性。

在微博上关于光逃逸问题,我曾用拉普拉斯逃逸速度概念给网友解释,这是偷懒的办法,虽然好理解,但失之于过于简单。

另外,史瓦西解为了简便推导,忽略了黑洞的转动因素。1962年新西兰物理学家科尔(R.P.Kerr)给出了因转动而非球形的黑洞视界半径,称为科尔黑洞。科尔黑洞更接近于物理真实。

黑洞模型有4个基本形式:1、史瓦西黑洞——无电荷、无转动的球对称黑洞。2、有电荷、无转动的球对称黑洞——雷斯勒-诺斯特诺姆黑洞。3、无电荷、有转动的科尔黑洞。4、有电荷、有转动的科尔-纽曼黑洞。

无论是拉普拉斯还是史瓦西、科尔等人,他们的黑洞都是大脑+笔+纸+一张平静的书桌的数学推导,对于物理学来说,这还远远不够,物理学家比数学家更关心“黑洞形成的物理机制是什么?它存在吗?”

史瓦西时代,太阳被压缩成3千米是不可想象的神话,大多数物理学家认为,“这只是数学游戏而已。”即使到了1917年,天文学家发现天狼星的伴星是一颗高密质的白矮星(密度是水的250万倍)。但要使之成为黑洞这还不够,必须将密度在加大1000亿倍,无论如何这是令人难以接受的。即使时后来量子力学问世,能够用简并(维基百科有解释)概念和引力塌缩加以解释,也还不能使大多数科学家信服。被誉为“世界上真正懂广义相对论的三个半人”之一的爱丁顿更认为:“必定有一条未知的自然定律,会阻止恒星塌缩为黑洞这种荒唐行为。”

1939年奥本海默等人通过广义相对论计算了无热核反应的大质量“冷”恒星得出结论:在引力最终击败中子简并压力后,恒星会塌缩至史瓦西半径以内,物质连同时空将塌缩到任何物质与能量都不能逃脱的范围之内,它们将再无阻碍地集中到一个体积为零、密度为无限大的几何点——奇点。这种状态下,天体将失去任何与外界做任何形式的交流的可能性,而成为黑洞。

奇点史瓦西半径与黑洞

这种能令“冷”恒星塌缩成黑洞的质量最小值称为奥本海默极限,开始估计为3倍的太阳质量。

当时观测宇宙中的恒星大多数都在奥本海默极限之上,甚至有100倍太阳质量的恒星,那么它们是不是都能演化成黑洞呢?未必。因为恒星一生中都在不断的丢失自己的质量,尤其是到了超新星爆发阶段更是会炸散很多物质,质量如果太大,甚至会一举全部炸开而分崩离析,不能形成黑洞。如果无论恒星开始时质量有多大,最终都会将质量丢失到三倍太阳质量以下,那么,就不可能形成黑洞。反之,则一部分恒星最终会演化成黑洞。还有一种形成机制是“双星系统”,其中一颗成为高密质中子星后会掠夺另一颗伴星的物质,质量不断增大而形成黑洞。

下一步天文学家的热情就全部集中在“找黑洞”竞赛中了。

1967年,发现脉冲星并确定其为中子星后,理论物理学家预言的恒星归宿白矮星被找到了;中子星又被找到了;谁现在还能说“黑洞不存在呢?”天文学家的找黑洞热情被进一步激发。

黑洞是看不见的,但这难不倒科学家们。通过理论计算,和合理的物理猜想。他们发现找黑洞都两条路径。1、追踪黑洞强大的引力场所带来的引力透镜效应(维基百科有解释)。2、追踪黑洞在吞噬外界物质时向外辐射的强烈的电磁波。

第一条引力效应之路上,天文学家把目光对准了五车二附近御夫座星,中文名“柱一”。另外还有食双星天琴座β星,中文名“渐台二”,以及其他。

第二条辐射之路中,通过各国科学家的努力,现在已经找到了数以万计的X射线源。人们把目光集中于它们中最有希望的17个射电源,希望能甄别出黑洞。

有人估计银河系应该有100万个恒星级黑洞,可是我们的候选者却寥寥无几,这也从另一方面说明“找黑洞”步履维艰。

天文学家们一边干着“找黑洞”这个体力活,天体物理学家们也没闲着,他们通过数学运算和非凡的想象力已经在为黑洞做素描了。

1、视界:彭罗斯定义为,“所有试图逃出去的光子统统都被引力拉回的最后边界”;霍金定义为,“空间中是否有能力向遥远宇宙发送事件信息的最后边界。”这两个定义是等价的。史瓦西半径把整个宇宙分成两部分,视界之外是我们能看到的“正常宇宙”,通过光信号,理论上可以在任意距离上发生联系。视界之内,任何物质和辐射都不能从视界囚笼中逃脱,中心奇点体积为0,密度无限大,时空无限弯曲,因此时空这个概念将变得面目全非。视界内光线向奇点聚焦,因此,任何两个光子路径也不会产生交叉,也就肯定不存在“信息交换”。任何越过视界的物质,都无一例外地奔向奇点,有多少吃多少,那可真正是个“无底深渊”。

2、引潮力,关于引潮力和洛希极限,有兴趣读者可以自己找资料看看。我们这里只说一个有趣的现象,10倍太阳质量的黑洞对于普通密度的物体,洛希极限是400万千米。落入这一范围的宇航员将被斯成碎片。假设宇航员真有无限的“刚性”,能抗住引潮力拉扯(那可是个很大的数字)一头栽进黑洞,他也将在到达奇点时被拉成无限长。

3、时空特性,黑洞内运动方向单一指向奇点,所以空间是一维的;时间虽然仍然需要保持因果关系而不能颠倒,但时间出现了尽头,达到奇点意味着时间结束。从视界到奇点这段“缓死”时间长短不一,10倍太阳质量黑洞为0.001秒级,星系级别的巨型黑洞可以长达几小时。

4、黑洞无毛和黑洞蒸发,“黑洞无毛”是天体物理学家惠勒提出的,开始这个词因为有色情含义而被很多人拒绝,后来慢慢地说的人多了,概念也就抽象成不具有其词汇表面含义了,被大家所接受。“黑洞无毛”不只是指黑洞几何形状的完全对称性。描述一般物体会有很多参数,如,质量、光度、电磁状态、化学成分等等,而黑洞却是简单的,它最多只有质量、角动量和电荷3个参数。真是“简单的和1一样”。

5、1974年,坐在轮椅上的霍金根据量子场论提出,真空会不断产生正、负粒子对,产生出以后又很快彼此湮灭了。时间极短,不能直接探测到,所以称之为“虚粒子对”。1947年的兰姆(W.E.Lamb)和库什(P.Kusch)著名的“兰姆位移”实验,说明了这一理论。此二人因此获得了1955年诺贝尔物理学奖。

如图,霍金认为,黑洞周围,虚粒子对会出现四种可能性:1、直接湮灭;2、双双掉入黑洞;3、正粒子落入黑洞,负粒子跑掉;4、负粒子落入黑洞,正粒子跑掉。第4种情况实现的概率最高。负粒子带有负能量,落入黑洞后等效减少黑洞能量,逃脱的正粒子等效带走能量。这就是黑洞蒸发。黑洞蒸发并不违背黑洞“不能逃逸”原则,但其结果是黑洞视界内能量(质能等价)减少,这样黑洞就存在有限寿命。但黑洞蒸发的最后结果还无定论,也许要等未来的量子引力理论来揭示其最后命运。

(作者:七是)

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