方玄昌　舒文雯

對于黑洞的最新見解或許使人類對宇宙和物質(zhì)的認(rèn)識又往前邁出了一大步

天文愛好者和物理愛好者大約都不會忘記兩年前發(fā)生的那個著名故事——2004年7月21日，《時間簡史》的作者、英國劍橋大學(xué)富有傳奇色彩的理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金，向全世界宣布，他推翻了自己原先的黑洞理論，新的理論認(rèn)為因果律在黑洞中依然有效，并非如自己30年來所堅持的那樣，所有物質(zhì)在進入黑洞之后就把自己所攜帶的信息全部丟失了。

現(xiàn)在，或許我們該為霍金感到慶幸：科學(xué)家新的觀測結(jié)果很可能意味著，現(xiàn)有的黑洞理論需要修改，而修改的結(jié)果更可能偏向于霍金兩年前給出的新理論。

磁場挑戰(zhàn)黑洞理論

依然還是北半球處于盛暑的7月底。來自美國馬薩諸塞州的哈佛-史密森天體物理學(xué)研究中心的科學(xué)家們宣布，他們通過觀測距離銀河系90億光年之外的一個類星體（編號為Q0957+561）發(fā)現(xiàn)，該類星體擁有強大的磁場，這與科學(xué)界普遍認(rèn)同的黑洞基本理論很不相符——原先的黑洞理論認(rèn)為，黑洞是沒有磁場的。

這是多年來科學(xué)家首次依據(jù)天文觀測結(jié)果對黑洞理論提出疑問。黑洞理論最早于1784年由一名英國地質(zhì)學(xué)家提出，但直到80年前愛因斯坦建立起廣義相對論之后，黑洞這一概念才正式列入現(xiàn)代科學(xué)的理論框架。而近一二十年來，借助于哈勃太空望遠鏡等觀測工具，天文學(xué)家確實觀測到了它存在的跡象（由于黑洞吸引力太大，以至于光線也不能逃逸，科學(xué)家的觀測只能是間接的），尤其是星系和類星體中心的大黑洞。

而哈佛-史密森天體物理學(xué)研究中心的科學(xué)家們動用14部天文望遠鏡，對類星體Q0957+561進行前所未有的全面觀察，通過分析其光譜，深入探測了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，該類星體的中央有一圈碟形物質(zhì)（類同于先前在黑洞周圍已經(jīng)觀察到的吸積盤），寬度相當(dāng)于地球與太陽距離的4000倍。他們相信，那個碟形物是由一個強力磁場噴發(fā)出大量物質(zhì)形成的，其中有許多等離子形成的奇特圓球體。如果按照原先理論所描述的，該類星體的中央根本就不是一個黑洞，而應(yīng)該被稱為是一個“磁場急劇收縮體”(MECO)。

黑洞并非奇點？

一些科學(xué)家根據(jù)新的觀察結(jié)果認(rèn)為，黑洞理論需要修正。而全球更多的大眾、科普類媒體則干脆把科學(xué)家的觀點描述為：宇宙間根本不存在黑洞。

“事實的真相就是我們?nèi)匀辉谘芯亢诙??！惫?史密森天體物理學(xué)研究中心的公共事務(wù)主管大衛(wèi)·阿圭拉告訴本刊記者，“我們中的一些科學(xué)家認(rèn)為，已經(jīng)有一些跡象表明黑洞的存在，而另外一些科學(xué)家仍然在尋找其他證據(jù)。而我不敢確定。人們把黑洞的存在當(dāng)作理所當(dāng)然的事情，但因為我們至今無法靠近一個實例，我只能說科學(xué)家們?nèi)匀辉谘芯亢诙催@種現(xiàn)象，其中很多人認(rèn)為，我們一直所尋求的這種解釋是完全正確的?！?/p>

部分研究者認(rèn)為應(yīng)該對黑洞進行全新的解釋：當(dāng)某個天體變得足夠密實和熾熱時，其中的亞原子微粒就開始被破壞，這會導(dǎo)致大量的輻射產(chǎn)生。而引發(fā)這一事件的外部壓力也開始停止作用，這樣該天體就變成了一顆熾熱的、類似等離子體的火球，而不會坍縮成原先黑洞理論描繪的那種狀態(tài)。

這樣的解釋，實際上已經(jīng)與原先的黑洞理論相差甚遠。“在傳統(tǒng)理論中，黑洞，也即所謂的奇點，是沒有時間和空間存在的封閉狀態(tài)。奇點沒有體積，沒有固定的位置。在新理論中，黑洞由不同類型的粒子組成，它是可以被測量的，而并不是像通常所認(rèn)為的，黑洞是無法測量的奇點?！贝笮l(wèi)·阿圭拉說。

而中國國家天文臺的李競研究員則認(rèn)為，新的觀測結(jié)果如果最終被確定，也僅僅只能證明，宇宙間存在周圍有磁層的黑洞，并不能說明所有其他黑洞都會這樣。“人們已經(jīng)成功觀測到的星系中心大黑洞，其性質(zhì)的描述未必能因此被徹底改變?！?/p>

霍金該笑了

歐洲和美國的一些科普讀物在報道這一發(fā)現(xiàn)時使用了“超越愛因斯坦”這樣的標(biāo)題。實際上，黑洞盡管是廣義相對論的一個著名的預(yù)言，但修正黑洞理論已經(jīng)不是第一次了。最著名的，莫過于“霍金輻射”——更早的黑洞理論中，物質(zhì)在黑洞面前是“只進不出”的，而霍金用純理論方法推導(dǎo)出，黑洞是有輻射的，即他在《時間簡史》中所謂的“黑洞不黑”。

新的發(fā)現(xiàn)看來也還不至于對相對論構(gòu)成什么威脅?！靶吕碚撆c廣義相對論的時空觀會有不同，但是也沒有什么不妥?！卑⒐缋f，“因為愛因斯坦的相對論留下了很多需要后人去證明的地方，這也是全世界許多國家包括中國科學(xué)家們一直在努力進行研究和探索的方面。為了不斷完善愛因斯坦的理論，需要這個正在進行中的長遠過程。”

而霍金現(xiàn)在一定會竊喜自己兩年前的明智舉動?！叭绻诙粗車€存在磁場，那么，掉落黑洞的物質(zhì)把含有的信息遺留在磁場中是有可能的，”李競研究員說，如果真的這樣，這就證明“信息守恒定律”在黑洞里沒有失效——這是霍金兩年前才否定自我而確定的理論。

結(jié)果有待檢驗

“史密森天體物理學(xué)研究中心的權(quán)威性是沒有什么問題的，”李競說，“何況，這樣的結(jié)果公布后，全球其他觀測天文學(xué)家馬上可以對它進行驗證，他們應(yīng)該在比較有把握的情況下才敢公開自己的結(jié)論。”

但還是有人對這次觀察的結(jié)果提出質(zhì)疑。來自美國馬里蘭大學(xué)的天體物理學(xué)家克里斯·雷諾茲就是其中之一。他認(rèn)為，研究者觀測類星體中心黑洞時，中心的碟狀物周圍很可能有大量熾熱的氣體，而他們采用重力透鏡技術(shù)(當(dāng)觀察者和被觀察天體之間存在其它大型天體時，被觀察天體發(fā)出的光由于受其它大型天體引力作用的影響而發(fā)生扭曲，這時觀察者看到的被觀察天體形狀將被放大)幾乎不可能看到這些氣體——而類星體中心的磁場興許就來源于這些氣體或者是它們的復(fù)雜運動。

但研究者對自己的這項成果依然有信心。“驗證黑洞理論是科學(xué)家們一直以來努力挑戰(zhàn)的方面，我們現(xiàn)在所做的便是漫長過程中的一部分。”阿圭拉告訴本刊記者，“其他科學(xué)家會對這些理論作出檢驗，我們現(xiàn)在正在等待其他科學(xué)家對其進行確認(rèn)和肯定，或者是推翻它。這便是科學(xué)研究的過程?！?/p>