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最神秘的“洞”
主办:北京市科学技术协会

  协办:北京科普发展中心、嘉星一族、首都图书馆

  题目:黑洞、白洞与虫洞

  时间:2011年7月31日

  地点:首都图书馆

  主讲人:苏宜,南开大学教授

  开场白

  关于黑洞,法国天文学家卢米涅(Luminet)说过一段话,他说:“黑洞是恒星死亡后的一种残骸,它是引力收缩的极点,极端到近乎荒唐(指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释)。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后,会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”

  
  压缩到引力半径以内

  黑洞(Black hole)这个名词,是1968年由美国天文学家惠勒(Wheeler)在一个报告里面提出的。但有关黑洞的概念,早就有科学家通过数学公式推导出来了。比如说1796年法国科学家拉普拉斯(Laplace)就在著作里写了一段话。他说假如有一个恒星,密度跟地球一样,而直径比太阳大250倍,那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的,但是从远方看这个恒星,它却是绝对黑暗的,你不可能看到它。为什么呢?Laplace的解释就是逃逸速度。

  地球的逃逸速度是11.2公里每秒,还有一个环绕速度是7.9公里每秒。我们没有谁扔个石头能永远不掉下来,为什么?因为人扔石头的速度很小,不可能大到7.9公里每秒,大到这个数的话,石头就不会被地球的引力吸引下来,就会绕着地球转,这就是人造卫星飞行的原理。如果速度达到11.2公里每秒,那么就会使物体飞离地球引力场,再也不会回来,这就叫逃逸速度。

  那么,当初Laplace假设的恒星逃逸速度已经超过光速,也就是说光这种小粒子的飞行速度没有达到逃逸速度,逃不开该恒星的引力,飞不出来,所以外界不可能看到这颗恒星的存在。Laplace所说的其实就是黑洞的概念。不过Laplace依据的是牛顿经典力学,对时空本性的认识还没有达到现代物理学的深度。而且Laplace的著作出版后不久,物理学家杨(Young)发现光具有波动性,而不是小粒子,Laplace的著作再版时就把那段文字删掉了。

  科学在发展。1915年11月,爱因斯坦发表了广义相对论,主要的思想是说时空是弯曲的。按牛顿理论,时空是平直的。爱因斯坦说,因为宇宙当中处处有天体,天体的质量越大体积越小,引力越强,它周围的时空就弯曲的越厉害。广义相对论发表之后只有一个月,他的同事、天文学家史瓦西(Schwarzchild)就用这个理论推导出一个重要的数值——引力半径。

  史瓦西半径公式很简单:引力半径Rg=2GM/C2。G是引力常数,M是天体质量,c是光速。只要知道天体质量,一定可以算出来一个Rg。这个公式是什么含义呢?如果一个天体的全部质量都被压缩到它的引力半径的范围之内的话,按照广义相对论,天体周围的时空就极度弯曲到完全封闭,里面什么东西都跑不出来,包括光子和任何能量、物质、信息。外界不可能看到它,那么这个东西就是黑洞。

  在约定单位的情况下,史瓦西半径公式可以简化为Rg=2.95M[km]。M必须以太阳质量为单位,算出的引力半径Rg值以公里为单位。

  不难算出太阳的史瓦西半径是2.95公里。如果把太阳的全部质量都压缩到直径小于6公里的范围内,太阳就变成黑洞;如果我们有兴趣算一算地球,它的引力半径是8.9毫米,把整个地球压成一粒葡萄那么大,地球就变成黑洞了。当然这只是数学计算。太阳跟地球都不可能变成黑洞,因为没有什么力能把它们作如此的压缩。但是宇宙当中的大恒星在超爆以后是可能被压缩成黑洞的。

  两个力的平衡

  恒星有两个最主要的特点,第一是它有巨大的质量。太阳的质量为2×1027吨,只能算是一颗中下等质量的小恒星。按照牛顿的引力定律,有质量就有引力,每一部分都和相邻的部分有引力,引力累加起来的结果,就是把整个恒星的物质向中心挤压。那这么一挤恒星还能存在吗?事实上,太阳天天照耀我们,没有被压垮,是因为恒星还有另外一个特点——极强烈的热核反应,由热核反应产生的巨大的向外扩张的压力与引力相平衡,才能保持恒星长期稳定的存在。

  最主要的热核反应是氢原子核聚变为氦原子核的反应。氢原子核是一个质子,氦原子核里边是两个质子加两个中子。当四个氢原子核,也就是四个质子,在高温高压的条件下聚在一起变成一个氦原子核,结果四个质子里有两个变成中子了。聚变前后,质量有亏损。质量哪去了?变成了核能辐射出来。这是近代物理学从爱因斯坦开始,相对论跟量子力学揭示出来的物质世界的深刻的本质。

  那么好了,由于恒星内部不断地进行着热核聚变反应,结果一定是获得极高的温度,你们学物理都知道,温度越高体积越大,它有一个向外膨胀的压力,与引力相平衡。太阳内部的热核反应规模,相当于一秒钟爆炸二十亿颗氢弹,一秒一秒不断地爆炸,才有这个太阳存在。质量比太阳大的恒星热核反应的规模就更大。

  一个恒星不管大小,一定是质量产生的引力跟热核反应产生的压力,两个力刚好平衡,这个恒星就能够稳定地存在。存在的寿命有多长?看这个星的质量大小。质量越大,寿命越短。像太阳这样的恒星能够维持大概一百亿年。

  恒星会死的

  恒星不是永恒,当它的热核反应不能进行的时候,它就要消亡。核燃料总有用完的一天,用完了,失去了向外抵抗的压力,那个向中心的引力马上就起作用,恒星马上就要塌缩。所以恒星跟我们人一样,有生有死。最后怎么个死法?死亡的方式由它的质量来决定。

  热核反应有好多种,氢到氦的聚变反应是最基础的,或者说是产能效率最高的一种。聚变完了以后,氢都没了,一大堆全是氦了,下一步它就会进行更高级别的热核反应,由氦变成碳,由碳变成氧,变成镁,变成硅,变成硫,变成氩,变成钙,变成钛、铬、铁……在恒星内部进行这种聚变反应到铁为止——元素周期表上铁后面不是还有吗?铜啊银啊金啊更重的元素,那不行了,铁以后的元素只能是裂变才能产生能量。铁原子核的出现意味着恒星到了暮年,跟人一样,老得快动不了了,即将走向死亡。

  质量比较小的恒星,像太阳,它的热核反应只能到恒星大部分变成碳为止,氢变氦,氦变碳。它的质量太小,内部的压力不够,碳再也不能聚变了。现在推算,50亿年后,太阳中间是个碳核,外围有一些氦,再外围还有一些氢,太阳会膨胀到比地球轨道还要大,地球轨道半径是1.5亿公里,这时地球就完蛋了,肯定熔化了。到了这个阶段,碳不能聚变了,引力就会使恒星塌缩,缩成白矮星,体积缩小到同地球差不多大了,但密度非常高。有人戏称,那个时候的太阳核心就是一个极大的钻石。钻石是碳元素的另一种结构。太阳变成像整个地球那么大的一块钻石,外围还有一片体积硕大的弥漫星云。当然了,人早没了。

  生物是从小长到大,天体是从大长到小。太阳宝宝开始特别大,在引力作用下,缩缩缩,缩成正常太阳,维持很长很长时间,到最后它又变大,变成红巨星,最后红巨星也没了,剩下的东西就是那个碳核,变成白矮星+弥漫星云,这就结束了一生,整个历程是一百亿年,现在走了一半,五十亿年。

  我们在座的人谁也等不到看五十亿年之后的太阳,但是天文学家在银河系内部找到好多个已走到这一步的别的恒星。像天琴座环状星云、宝瓶座螺旋星云、天龙座猫眼石星云、矩尺座蚂蚁星云等,都是由小恒星死后变过来的,看起来很漂亮,中间是白矮星,外围是星云。

  超新星爆发

  所谓大恒星,通常来讲质量比太阳大八倍或者8.5倍以上。大恒星会有更深层次的一大串热核反应,最后一直进行到产生铁核。晚年阶段的大恒星像一个熊熊燃烧的巨大无比的热核反应炉,极度地膨胀,直径比土星绕太阳的公转轨道还要大。但它不可能维持长久,一旦热核反应全部停止,顶不住引力了,那么大的范围,那么多的质量往中间聚拢,速度非常高,比地球自由落体厉害得多,最后撞上中间的铁核。这时候在极高的压力下,铁元素原子核已经变成全部由中子组成的中子核,这个中子核你是摇不动的,比铜墙铁壁厉害得多,那么先前撞上的往外反弹,外面的往里拥,两个速度相对更厉害,撞的一塌糊涂,砰!能量就会突然地爆发,这就叫——超新星爆发。爆发能量超过太阳一生总辐射能量的100倍!

  人死时不会蹦起来爆发的,大恒星快没气时会突然蹦起来大爆发,这就是大恒星的性格。大恒星死了,但是它催生下一代恒星。而且超新星爆发是把铁以后的那些元素创造出来的条件。我们在座爱美的女士们披金戴银,各种贵金属怎么来的?如果没有超新星爆发,不可能有这些元素。没有往日恒星的壮烈爆发,就没有今天多彩斑斓的宇宙。

  恒星的几种结局

  大恒星超爆以后剩下那个残骸,那个中子核,会怎么变?这里就要提到近代天体物理学两个非常重要的极限值。

  一个叫钱德拉塞卡极限。钱德拉塞卡是一位美籍印度天文学家,他计算出来一个极限值,获得1983年诺贝尔物理学奖。他说,停止热核反应的恒星,质量数如果小于1.44倍太阳质量,它会变成白矮星;质量数如果超过1.44倍太阳质量,它会进一步塌缩——那就引出第二个极限,奥本海默极限。

  奥本海默也是一位著名的美国物理学家,被称为“原子弹之父”。他算出来了,如果一个冷恒星,超过1.44太阳质量但小于3倍太阳质量,它会进一步塌缩,变成中子星。如果大于3倍太阳质量的话,那么质量越大引力越强,强劲到能够把中子星都压垮,那就是黑洞。

  那么恒星死亡的结局可以归类为这么几种:小于2.3倍太阳质量的恒星会正常死亡,没有超爆,最后变成白矮星;2.3到8.5倍太阳质量的恒星会超爆,它没有中子核,所以什么都没有留下;大于8.5倍太阳质量的恒星,超爆以后会留下中子核——看它留下的质量是多少,大于1.44是中子星,大于3是黑洞。

  黑洞的奇妙性格

  黑洞第一个奇妙性质是它存在一个视界,物质进了这个界限,里边的光子就跑不出来,外面的人就永远看不到它。就是史瓦西算出来的那个界限。在视界之内,所有的物质只能向中心奇点聚集,任何两点之间以及它们同视界以外,不可能有任何信号联系。

  在视界范围里头,质量全部集中在中心奇点,这个奇点体积为零,密度为无穷大。这违背所有已知的物理学规律——世界上有什么东西只有质量没有体积不占空间吗?

  视界不是实体,是一个囚笼,所有物质、能量都被囚禁在中央奇点上,无法逃脱。光跑不出来,任何时候看它都是绝对黑暗的。里边的跑不出来,可是外面的东西碰到它一定会被吸进去再也出不来,因为它有强大的引力,是个无底深洞,西方叫Black hole,翻成黑洞两个汉字是很贴切的。

  黑洞的第二个性质,它有强大的引潮力。海边潮水会涨会退,是太阳跟月亮的引潮力造成的。引潮力就是把全地球的海水两头拽的力。引潮力的大小跟天体质量成正比,跟距离的立方成反比。太阳跟月亮的引潮力都很小。但假如这个天体是黑洞,我们假设它有十个太阳质量,它的引潮力会非常强大。进到距离它四百万公里范围之内,一般的物质结构都会被解体。假设说未来我们的飞船要去探测这个黑洞,你够结实,进到距离它四百万公里范围之内去了,你越往里飞,引潮力越大,可千万别接近视界,否则就会一头栽进奇点就什么都不是了——好,我不进去,我在视界上待一会儿怎么样?这可以计算,视界上一个人体受到的引潮力是一百万吨,两头拽着。

  黑洞还有更奇妙的时空特性。我们的空间是三维,三个方向运动,时间是一维的。可是在黑洞视界内部,空间变成一维了,而且单向,一头栽向奇点,没有向别的方向运动的可能。栽到奇点,就时空都不存在。还有时间冻结,是指相对论所描述的、不同系统里头的时空不一样,空间会缩短,时间会变慢。

  中国一句老话,山中方七日,世上几千年,神仙一盘棋还没下完,人间几千年过去了,这是神话,可相对论告诉我们,真可能有这样的事。飞往黑洞的飞船,里边的时间会越来越慢。真的到达黑洞视界表面的时候,时间慢到了无穷大,所以地球上的人永远也看不到飞船是怎么到视界,怎么进黑洞的。假设这个画面要往地球上传,要传无穷长的时间才能传到——就是永远传不到。叫做“时间冻结”。

  还有,恒星是旋转的,恒星变成黑洞是塌缩的结果,一塌缩,转速就要加快,这是物理学的角动量守恒原理。黑洞极端的时候会达到每秒钟五千转。这种高速转动会使它周围的时空被拖拽着一块旋转,这就是时空旋转效应——注意不是什么东西在转,是整个时空在转。现在已经探测到这个现象。

  黑洞已经找到了

  那么,这些理论真的可靠吗?现在天文探测已经回答了这个问题。

  蟹状星云在金牛座。公元1054年,就是我们北宋仁宗的时候,历史书有记载,当时的宋朝人看到了天上有一个超新星爆发,恒星爆掉没有了,剩下的东西就是这个蟹状星云。现代天文学家在它的中心部分看到了一个中子星。

  黑洞也探测到了。当然这非常困难的,因为原则上你看不见它。天文学家不甘心,想各种各样的办法,目前正在用的一种方法就是探测黑洞双星。

  什么叫黑洞双星?我们的太阳是个单身汉,它要有老伴我们地球上的生命反而活不成了,不过银河系里的恒星大多数是一对一对的,是双星。如果其中一个又亮又大,我们用望远镜看得见,旁边那个已经变成黑洞,跟亮星互相绕着转,那么它强大的引力场会把同伴星的物质吸引过来,高速旋转。高速旋转的时候,一定会发出强劲的X射线。那好了,我们探测什么地方发出X射线,进一步考察那里是不是一对双星,再推是不是存在黑洞。

  70年代以来,以美国、欧洲为主,发射了一系列的卫星专门探测X射线,现在一共找到15万个X射线源,当然不一定都有黑洞。人类探测到的第一个黑洞是天鹅X-1,位于天鹅座。双星旋转的周期是5.6天转一圈,相距三千万公里。看得见的是一颗九等星,X射线是黑洞外围高速运转的电子发出来的,离我们八千光年。整个七十年代,一共发现四个黑洞,国际天文学界戏称“黑洞四人帮”。一直找到现在,也就发现了十来个黑洞。

  遥远的M100星系,在后发座,1979年的时候观测到里面一个超新星爆发,到了2010年的11月份,发现这里有一个黑洞,是超新星爆发以后形成的,也就是说这个黑洞诞生才20来年,是已知最年轻的黑洞——好多媒体都误解了,你不要以为这个黑洞是现在形成的,它是五千万年以前形成的,因为它距离地球是五千万光年。

  除了恒星超爆以后形成的黑洞,还有更大的黑洞。现在基本上认为星系中央普遍存在巨型黑洞。像银河系中心的巨型黑洞,质量比太阳大260万倍,视界半径760万公里,这个已经很明确地探测到了。

  争论

  索恩VS霍金——时间机器之争

  白洞(white hole)是由科学的对称性引申出来的一种猜想。对称性是当代物理学最重要的中心思想之一。那么根据对称性,把黑洞反过来就是白洞。

  白洞是黑洞的时间反演。白洞也有视界和奇点。所有物质、能量和信息都不能进入白洞的视界,只能从视界内部逃逸出来。白洞是宇宙中的喷射源。白洞的奇点里藏匿着无穷尽的物质。迄今为止,没有任何物理理论能够给出像黑洞形成机制那样的形成白洞的机制,也从来没有在实际的天文观测中发现具有白洞特征的任何天体或天文现象。迄今为止,白洞只是理论上的一种猜想。

  那么虫洞(Wormhole),就更奇妙。做个比喻,一个苹果,里边有虫子,在你看不见的地方,虫子拱出来的那个洞、那个隧道,就是虫洞。它连着黑洞的奇点跟白洞的奇点,是某种神秘的通道。掉进了黑洞,顺着这个通道到白洞,一下子又喷出来了,就是这样一种猜想。

  科幻小说里面经常会提到时间机器,人这头进去是现代,那头冒出来也许是古代也许是未来。以前,关于时间机器的幻想都是没有科学根据的,因为这些科幻作品主要描写的是超光速飞行。光不是一秒30万公里吗,我这飞行器速度比光还要快,我往前追,总有一天跑到秦始皇那个年代去,等着瞧他怎么焚书坑儒。可是这个东西被相对论所否定,因为任何飞行不可能超光速。出现虫洞的说法后,情况有所变化。

  美国当代著名的天体物理学家索恩(Thorne)写了两篇介绍虫洞的文章,说有了虫洞,有可能实现时间机器,跑到古代或未来。他举例说,地球距织女星是26光年,这是在四维的宇宙时空里。如果地球旁边有一个黑洞,这个黑洞的奇点与另一个白洞的奇点由虫洞连接着,而白洞却在织女星旁边。设想一艘飞船掉进黑洞以后,通过虫洞,从织女星旁边的白洞又冒出来,那也许一天或者两个钟头就完成了。在这里等着看26年来地球上发生的事情,就等于回到了从前。

  注意索恩写的不是科幻文章,而是严肃的科学文章,他依据的还是广义相对论。但相对论所描述的虫洞不在现实的四维时空里,而在所谓的“超空间”里头。超空间在哪里?连爱因斯坦也说,我们人类能意识到的空间都是现实空间,超空间只有理论描述,只能意会不能言传。

  索恩的好朋友霍金却不同意他的说法。霍金说,超空间里的虫洞,按照相对论,存在的时间极短,出现了马上就没了,这个时间是10的负十几次方秒,短到连一眨眼都形容不了,飞船想要飞过去是不可能的。任何企图穿过虫洞的事物,不等你冒出来,虫洞就关闭了,还是死在那里头了。而且按照相对论,虫洞内部有负压力,虫洞直径越小,压力越大,那么你要想飞船安全的话,就要把直径做得很大。比如说虫洞直径要有1光年那么大,飞船才能安全通过,这有可能吗?

  但是索恩并没有放弃。他说未来的人类也许会有高超的技术,能让飞船能发出一种具有负能量的物质——存在强大的斥力,把虫洞长时间地撑住,飞船不就过去了吗?

  霍金还是否定他。霍金说你怎么着也不行,因为物理定律不允许有时间机器,所谓时间,只能向前不能向后,任何事物总是前因后果,历史不能被破坏。不管你想制造、运用什么样的时间机器,总会有某种规律使你不能成功。你要问什么规律?谁也不知道。西方人也许会认为冥冥之中有上帝。这就是霍金跟索恩,两位当代的大物理学家彼此都不能说服的争论。

  最后索恩说了一句比较中肯的话,他说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。量子引力理论就是将量子力学跟相对论统一起来的新物理理论,爱因斯坦的后半生孜孜以求但没有做出来,直到现在,全世界那么多物理学家,谁也没有做出来。
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