科学家眼里的“黑洞”

黑洞之谜

。 在一本科学幻想小说中，主人公驾驶的飞船不慎落到一个“黑洞”天体的重力陷阱里，眼看就要被吞噬了。而黑洞的重力场使光线和电波也无法逃出，所以飞船的电台根本发不出呼救信号。可是聪明的宇航员定期将一些杂物抛进黑洞里，当有物质被黑洞吸入时，会发出X射线，于是有人收到了来自黑洞的“SOS”X射线信号，便火速前往援救……

    尽管近年来“黑洞”这个词愈来愈广泛地被人使用，但它在天文学上却仍然只是一种仅被理论所预言，至今尚未被真正发现并证实的奇特天体。

    1788年，法国天文学家拉普拉斯在牛顿引力理论的基础上预言，如果存在一颗密度如地球而直径为太阳250倍的发光恒星，它的引力作用将不允许任何光线离开它。计算表明，这颗假设的恒星具有5800个太阳质量，因此，它表面的物质逃逸速度(即常说的“第二宇宙速度”)比光速还大(超过30万公里每秒)。1916年爱因斯坦提出广义相对论后，就有人计算出与拉普拉斯相似的结论。

    现代天体物理学认为，黑洞具有一个封闭边界(称为“视界”)，外界物质和辐射可以进入视界，但视界内的一切都跑不出来。黑洞也并非绝对“黑”，当物质落向黑洞又未到达视界前，会产生强烈的X射线或r射线。

    当大质量恒星演化到晚期经历超新星爆发后，若遗下的残核质量超过太阳的2倍，就会坍缩成黑洞。在星系或球状星团的中央区，密集的恒星大规模碰撞，产生超大质量天体，坍缩成质量超过太阳1亿倍的黑洞。在宇宙早期，也会形成一些小黑洞，其质量与小行星差不多(上亿吨)，但体积只有粒子那么大。曾经有人猜想，1908年发生在西伯利亚的大爆炸事件就是一个小黑洞撞上了地球。

    天文学家已经在太空中发现了一些黑洞的蛛丝马迹。例如，有强X射线辐射的天鹅座X—l可能是3倍于太阳质量的黑洞；椭圆星系M87的核心可能是90亿个太阳质量的大黑洞。但黑洞至今还是个宇宙之谜。

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黑洞是什么?

1916年广义相对论出现不久，卡尔.史瓦西（Karl Schwarzchild）就求出了用以描述时空的爱因斯坦方程的一个十分有用的解。该解作为时空的一种可能的形状，可以用来描述一个球对称的、不带电、无自旋的物体（可能也可用于近似描述如地球和太阳等缓慢自旋的物体）之外的引力场。其原理就和当你想研究地表之外的牛顿引力而将地球视为质点一样。

    这个解很象一个“公制”。它和将毕达哥拉斯公式加以归纳以给出平面上线段长度一样，此“公制”可以作为获取时空中曲线段“长度”的公式。物体沿时间（“时间的坐标轴”）运动的曲线的长度如果用此公式计算，就恰是该运动物体所经历的时间。公式的最终形式取决于你选择用来描述事物的坐标系。公式可以因坐标不同而变形，但象时空弯曲这样的物理量却不会受影响。史瓦西用坐标的术语表述了它的“公制”概念：在距离物体很远的地方，近似于一个带有一条用以表示时间的附加t轴的球坐标，另一个坐标r用作该处的球坐标半径；而更远的地方，它只给出物体的距离。

    然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，那里的时空弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向实际成为时间（而非空间）的方向。任何处于这个范围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠向奇点。这个区域被一个史瓦西坐标消失的面与宇宙的其他部分分离开来。当然该处的时空弯曲没有任何问题（这个球面半径被称作史瓦西半径，稍后就会发现史瓦西坐标并未消失。它是一个人为的坐标，这个问题有点象定义北极点的经度时所遇到的问题。史瓦西半径的物理意义不在于该处的坐标问题，而在于其内的方向变为时间方向这一事实）。

    当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体的密度都达不到使这个内部区域扩大到物体之外的程度，即对于所有已知情况，史瓦西解的这个奇怪部分都不适用。阿瑟.斯坦雷.爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）曾考虑过一颗死亡的恒星坍塌后可能达到这个密度，但从审美的角度出发不太愉快地将其抛弃了，并人为应该有新的理论补充进来。1939 年欧文海默（Oppenheimer）和施内德（Snyder）最终严肃地提出比太阳质量稍大几倍的恒星在其声明的末期可能会坍缩到这种状态。

    一旦一颗恒星的坍缩超过史瓦西坐标消失的球面（称为不带电、无自旋物体史瓦西半径或“视界”）它就不可避免地继续坍缩下去。同你无法停住时间的车轮一样，它将一直坍缩至奇点。没有任何进入那个区域的东西可以幸免，至少在这个简单的例子中是如此。视界是一个有去无回的转折点。

    1971年约翰.阿奇贝尔德.威勒（John Archibald Wheeler）命名这样的事物为“黑洞”，因为光无法从中逃逸。基于许多证据，天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天体（其证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互作用中得到；并且有时它们会发出X射线，这被认为是正在坠入其中的物质发出的）。但我们这里所讲述的黑洞的性质纯属理论，它们基于广义相对论――一个目前尚被证明为正确的理论。

黑洞是宇宙中最具破坏性的现象，它梦魇般的巨大引力可以吞噬宇宙里的任何东西，因此人们常常寄希望于在它身上发现宇宙的奥秘。如今，有人声称要“制造黑洞”解析它的神秘引力。日前，据英国报纸报道，苏格兰一所大学的科学家正在实验室里，积极着手于这一制造模拟“黑洞”的工作。
    苏格兰圣·安德鲁斯大学的理论物理学教授里昂纳特就是这个黑洞实验的“先行者”。他计划制造一个专门吸取光的光学模拟“黑洞”。他说，他的“黑洞”由原子涡流组成，还不及一滴雨点那么大。他保证，此“黑洞”不同于真实“黑洞”，绝不会把大学所在的这座苏格兰海边小镇吸入宇宙。他说，“我想，使制造光学黑洞的可能成为现实，也许就在三到五年之内吧。”
    在太空里，黑洞独具的强大引力可以吞噬一切物质和能量，其中也包括光。宇航员和物理学家都认为，在距离地球好多光年之处，存在星星的死亡之地。在那里，星球们到达了生命尽头，自爆成无数密集的小碎片，形成引力旋涡。
    科学家们相信，被旋转的物质和能量旋涡所包围的黑洞，一定包含着开解爱因斯坦相对论和其他自然规律的“钥匙”。是爱因斯坦在解释自己的理论时，首先提出了黑洞的存在———宇宙的一部分，在那里，通常意义上的时间和空间规律将不存在。
    对于黑洞的好奇和资料匮乏已经在世界科学界激发起一场竞赛：看谁能第一个在实验室里建立起“黑洞”的安全工作模型。而里昂纳特和他的同事们无疑已走在前列。
    他们的“光学黑洞”是由冷冻的原子被激发、快速旋转进入试管后形成的。然后，科学家必须再使旋涡的速度降低到光速水平，以吸引光。
    减慢光速，这在以前是几乎不能想象的事情，而现在业已实现。去年，美国哈佛大学的科学家发明了“爱因斯坦冷凝物”，一种介于液体和气体之间的低温物质。光线一般的速度是每秒１８．６万英里，而当通过这种冷凝物时速度却降低到了每小时３８英里。
    里昂纳特他们自信，还可以把光速降低到每秒１英寸。那时，他们的原子旋涡只需以每秒几英尺的速度旋转，就能把光线吸引入洞。
    一些科学家指出，虽然该项目的许多科学细节还有待克服，但理论上来说是可行的。