宇宙奇谜——黑洞假说

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1783年，剑桥大学的约翰·米歇尔指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星，会有如此强大的引力场，以至于连光线都不能逃逸，任何从恒星表面发出的光，还没有到达远处时，就会被吸引回来。1798年，法国科学家拉普拉斯也提出了一个令人吃惊的观点：“宇宙中最明亮的天体，可能对我们来说是看不见的。”他举例说，一个直径比太阳大250倍，密度与地球大致相当的大质量恒星，由于它本身产生的强大的引力，会把它发出的光给拉回来。有趣的是，他只将这个观点纳入他的《世界系统》一书的前两个版本中，而在以后的版本中将其删去，可能他认为这是一个愚蠢的观念。
尽管可能他对自己的预测感到愚蠢而后怕，但他的推论却是有科学依据的，这就是当时被人们普遍信服的牛顿理论。根据牛顿引力理论和光子理论，物体引力的大小与物体的质量成正比，与物体间的距离的平方成反比。一个地球上的物体要想逃离地球的引力，它的逃逸速度起码要达到7.9千米／秒。对一个质量再大许多，引力半径再小许多，即足够紧致的物体来说，离开它的逃逸速度就要更大，推论下去，逃逸速度一直大到等于或超过30万千米／秒，即光速，在这种情形下，连光也逃不过这么大的引力了。


现代科学意义上的“黑洞”不是源自牛顿，而是源自爱因斯坦的广义相对论。广义相对论指出，引力场会导致空间的弯曲，空间弯曲的曲率取决于引力场的大小。当引力场足够大时，空间弯曲的曲率会使光沿着这个曲率运动而逃逸不出去。
1939年，物理学家奥本海默研究了中子星的特性，并指出，如果中子星的质量超过3.2个太阳质量，中子就无法与其自身的引力相抗衡，从而发生中子坍缩。这时没有任何力量能够抵挡住引力的作用。经过引力作用后，会形成一个没有体积，只有大质量和高密度的点——奇点。
就像拉普拉斯推测的那样，这样的超中子星不会发光。它被描绘成一个无限深的空洞，任何落进它的口袋的物体都会被它吞没，而且这些被吞没的物体不可能再出来，即使是光也不能逃出来。美国物理学家约翰·阿基伯德·维勒给它起了一个十分形象的名字：黑洞。

通过有关公式可以计算，任何物体只要其体积足够小，相应地密度足够大，都可形成使光也不能逃逸放射出去的黑洞。对像太阳这样质量的恒星，如果其收缩到半径和行星半径相当，它就变成白矮星；如缩为半径7千米左右，就变成中子星；当半径收缩到只有不到3千米时，它就变成了黑洞。地球这样质量的行星，要成为黑洞，它就必须把半径收缩到8.9毫米，其大小相当于一颗小豌豆。一个重达10亿吨的物体，如果半径收缩到只有电子大小，也会形成一个微黑洞。
对黑洞理论的研究作出突出贡献的是被誉为当代爱因斯坦之后最伟大的物理学家的英国科学家史蒂芬·霍金。
黑洞理论指出，作为一种极为特殊的天体，黑洞有许多奇怪的特性。
首先，黑洞具有极大的引力场，其强度大到使达到每秒30万千米逃逸速度的光也无法逃选出去。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，当光线经过引力场时，受引力的影响，光线会向引力场偏折，引力场越大，偏折得就越多，当引力场大到这样的程度，光线发生严重的偏折，使得光线再也出不来了。只有光线进去，没有任何光线出来，这是真正意义上的黑体，正是在这个意义上，人们把它称为黑洞。

第二，在黑洞中，通常的物理量都失去了原来的意义。比较不同的黑洞，它们不存在什么半径、密度、温度、化学组成、磁场等的区别，在黑洞中，它们都失去了通常的意义，正因为如此，人们戏称“黑洞无毛”。它们的区别只有三点：质量、角动量和电荷，也正因为如此，人们把黑洞的这三点区别称为“黑洞三毛定律”。
第三是奇怪的“奇点”。根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。在此奇点，科学定律都失效了，日常的时空观念全部变了。根据狭义相对论，在黑洞中，时间已经“凝固”不再流逝，而空间由于“尺短”效应，进入黑洞的物体仿佛走进了一个没有尽头的隧道，将以光速永远不停地向奇点奔去，但却永远达不到奇点。
尽管按照黑洞的本来意义，没有任何光或其他信息能从中出来，从而为我们这些观察者观察到。对于它的内部情况，我们还只有理论模型，没有直接的观测，但对它的外部情况还是可以知道的。
关于黑洞的大小。我们有两种相互联系的语言来描述黑洞。我们可以把黑洞视为一个巨大的引力场，可以用引力半径来表征引力场区域的大小。引力的大小和距离的平方成反比，远离引力中心的物体所受的引力较小，这种引力还不至于大到使光也不能逃逸；当距离越来越近，近到这样一点上，即引力达到了不允许光逃逸的程度，这一点也就是临界点，由引力中心到达这个临界点的距离就是引力半径。有了引力半径，我们就可以描述黑洞的大小了。这是一种描述黑洞大小的方法。另一种方法是从观察者的角度看，我们可以用“视界”来描述黑洞的大小。观察者通过光来观测对象，当光或其他的什么物体，在接近引力场的过程中，在到达这个边界之前，都是可视的，是可以观察到的，过了这个边界，它就杳无信息了，再也观察不到了。这种可视和不可视的临界点就被称为“视界”。从不同的方向上观察黑洞所形成的视界，就可为黑洞在宇宙空间定位，并可描述它的大小了。


关于黑洞的形状。黑洞有旋转的和非旋转的两大类，因此也就有球形和扁球形两种。对恒星来说，由于质心和引力中心的存在，它们的形状近似于一个圆。在引力坍缩过程中，释放出的引力波，使之越来越近于球形，到它终于静止时，就变成准确的球形。这样，不管恒星的形状和内部结构如何复杂，对任何非旋转的恒星，在引力坍缩之后，都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只取决于它的质量。对旋转着的黑洞而言，就如地球或太阳旋转造成的结果那样，黑洞赤道附近就会鼓出去，旋转得越快鼓得就越多。
关于黑洞是否有辐射。根据黑洞的定义，任何东西都不能从黑洞中逃逸出来，黑洞是不可能存在辐射的。但从量子理论的角度看，黑洞能向外发射粒子，有辐射。黑洞不黑。目前有两种方法对这一现象进行解释。一种是根据量子力学，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的视界外面的“空”的空间来的。粒子都是成对的，如果一个是正粒子，另一个就是反粒子；一个是实粒子，另一个就是虚粒子；一个有正能量，另一个就有负能量。当它们中的一个被吸入黑洞时，另一个失去了与它平衡的那一个，失去伴侣的粒子，既可以追随伴侣而去，也进入黑洞，也可以从黑洞的邻近逃走。逃走的这个粒子在远处的观察者看来，就像粒子从黑洞中发射出来一样。一个粒子越是接近大的物体，它的能量就越小。黑洞的引力是如此之大，甚至可以使实粒子的能量成为负值。另一种方法是可以把反粒子认为是真正地向时间的过去方向运动的粒子。这样，当正粒子落入黑洞时，观察者看到的就是从黑洞里跑出来的反粒子。
这两种解释都说明了黑洞确实存在着辐射，有东西从黑洞里面跑出来。但这只是观察效应，这种辐射对黑洞有实质性的影响或意义吗？

根据现在人们对黑洞的深入研究，由于黑洞存在着辐射，向外发射粒子，其质量会变小，这就是黑洞的蒸发。刚才我们提出过，黑洞向外辐射，只是一种观察效应，怎么会对黑洞有实质性的影响呢？我们知道，根据爱因斯坦的质能关系式，质量与能量成正比，实粒子受到的引力越大，其能量越小，进入黑洞的实粒子的能量可能为负的，负的能量必然造成负的质量，这就要从黑洞的质量中予以扣除，从而使黑洞的质量变小，形成蒸发。黑洞的蒸发速度与其质量成反比，质量越大，蒸发得越慢，质量越小，蒸发得就越快。具有10亿吨初始质量的太初黑洞要完全蒸发（也就是黑洞的寿命，大体和宇宙的年龄相同），约需100～200亿年，而比它小的黑洞在这之前已经蒸发完毕，从而结束了它的生命。一个具有几倍于太阳质量的黑洞，要完全蒸发，则需要1后面跟66个0这么多年的时间，也就是要用100亿亿亿亿亿亿亿亿亿年，这比宇宙的年龄要长得多。如果这么大的黑洞可能完全被蒸发，那就说明，我们对宇宙的年龄的估计是错误的，因为宇宙整体的寿命一定比其部分要长；如果我们对宇宙年龄的估计是基本正确的，那么大质量的黑洞的寿命就与此相矛盾，这就意味着黑洞不能完全被蒸发。合理的猜想是，当它被蒸发到一定程度时，它会最终在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射爆炸中消失殆尽，从而最终完成恒星的全部一生。
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