趙崢

在1800年以前，也就是拿破侖那個時代，英國劍橋大學(xué)學(xué)監(jiān)米歇爾與法國數(shù)學(xué)物理學(xué)家拉普拉斯，用牛頓理論分別獨立地預(yù)言了一種暗星。他們認為，天空中存在一類明亮的天體，像恒星那樣大，或許還像恒星那樣多。這種天體由于自身的萬有引力極強，把自己發(fā)出的光都拉了回去，所以這類天體雖然很亮，我們卻看不到。那個時候，光的微粒說占上風(fēng)，認為恒星發(fā)射光，就像大炮射出炮彈一樣，如果恒星的萬有引力極強，就有可能把射出的光子拉回去。

拉普拉斯在他的巨著《天體力學(xué)》第1版（1796年）和第2版（1799年）中都談到了這種暗星，但在1808年出版的第3版中，他取消了有關(guān)論述。這是因為托馬斯·楊于1801年完成了光的雙縫干涉實驗，否定了牛頓提出的光的微粒說，證明了光實際上不是粒子，而是一種波。拉普拉斯認為自己在微粒說基礎(chǔ)上預(yù)言的暗星恐怕不可能存在了，所以他在自己的著作中刪掉了有關(guān)論述。

此后學(xué)術(shù)界逐漸淡忘了拉普拉斯等人對暗星的預(yù)言。這種情況一直持續(xù)到1939年。那一年，美國物理學(xué)家奧本海默和施耐德，在用愛因斯坦的廣義相對論研究中子星時，發(fā)現(xiàn)中子星有一個質(zhì)量上限，超過這個質(zhì)量上限的中子星將發(fā)生無限坍縮，最終形成外界看不見的暗星。這就是說他們用廣義相對論再次預(yù)言了暗星的存在。有趣的是，他們得出的暗星產(chǎn)生條件和拉普拉斯等人給出的一樣。

不過，奧本海默并沒有繼續(xù)這一研究。這是因為不久之后“二戰(zhàn)”就爆發(fā)了，他受命去研制原子彈，離開了天體物理的研究，從此再也沒有回到暗星的研究上來。其他人也沒有繼續(xù)奧本海默開創(chuàng)的暗星研究。這是因為包括愛因斯坦在內(nèi)的一些著名學(xué)者都認為暗星不可能存在。他們覺得，暗星密度太大，太陽質(zhì)量的暗星密度將達到每立方厘米100億噸，這實在令人不可思議。當(dāng)時，密度可達每立方厘米1億～10億噸的中子星尚未發(fā)現(xiàn)，已知的最密物質(zhì)是白矮星上的物質(zhì)，那也不過每立方厘米1噸左右。由于愛因斯坦等人的崇高威望，一般物理學(xué)家都認為自然界不可能存在暗星，因而沒有人對暗星的研究產(chǎn)生興趣。

直到1964年，才有美國物理學(xué)家惠勒對暗星問題產(chǎn)生了興趣?；堇赵鴧⒓舆^美國的氫彈研制，和氫彈總設(shè)計師泰勒關(guān)系不錯。他在泰勒等人的幫助下，用位于核基地的當(dāng)時最好的計算機模擬了中子星的坍縮。模擬結(jié)果表明，坍縮成暗星是完全可能的。于是包括惠勒在內(nèi)的一些物理學(xué)家重新開始了對暗星的研究。1967年，惠勒把這類暗星命名為“黑洞”，于是黑洞一詞開始在物理界、天文界流傳，并逐漸在公眾中傳播開來。

廣義相對論預(yù)言，時空彎曲的地方時間會走得慢。愛因斯坦發(fā)表廣義相對論的時候就指出，由于太陽表面的時空彎曲程度比地球附近大，所以放置在太陽表面的鐘會比地球上的鐘走得慢，因此太陽那里氫原子發(fā)出的光，在地球上的人看來會發(fā)生紅移。天文觀測證實了愛因斯坦的預(yù)言（參見2016年第6期本專欄“引力紅移”——編者注）。

廣義相對論的研究表明，黑洞附近的時空彎曲程度非常厲害。放置在黑洞附近的鐘，在地球上的人看來，簡直慢到了幾乎不走的程度。放置在那里的光源發(fā)出的光，紅移幾乎趨于無窮大，也就是說光譜線的波長幾乎趨于無窮大。

如果有一艘飛船飛向黑洞，地球上的人將看到，飛船越接近黑洞，就飛得越慢，飛船上的人的動作也越來越緩慢，逐漸趨于僵化。而且，由于時間變慢的作用，飛船的顏色也越來越紅。最后飛船“凍結(jié)”在了黑洞的表面上，但看不見它進入黑洞。這些現(xiàn)象都是由于越靠近黑洞的地方時空彎曲得越厲害，在地球人看來，那里的時間進程越來越慢所造成的。

那么飛船能否進入黑洞呢？實際上，覺得飛船進不了黑洞，是遠方觀測者（例如地球上的人）看到的景象。但是，遠方觀測者看到的時間進程，并不是飛船上的人真實經(jīng)歷的時間。飛船上的宇航員沒有覺得自己的時間變慢，他覺得自己在正常地生活、操作，飛船正常地趨近黑洞，并且正常地進入了黑洞。那么外面的人怎么看到他沒有進入黑洞呢？那是因為他的圖像留在了洞外。我們在教室里看一個同學(xué)走出門去，他的背影一閃就從門處消失了。這是因為組成他背影的光子，一下子都飛向了各方，包括飛到我們的眼中，在門口處沒有遺留下背影的光子。黑洞處的情況與此大不相同，那里時空彎曲得極其厲害，飛船進入黑洞時，組成它背影的光子被滯留在黑洞表面附近，只能一點一點地往外跑，越跑越稀，要經(jīng)過無窮長的時間才能逐漸跑完。所以，遠方的觀測者將看到飛船的背影滯留在那里，飛船似乎沒有飛進去。但由于背影的光子越來越稀，遠方的人將看到背影逐漸變暗，逐漸消失在黑洞附近的黑暗中。

前面說到，宇航員覺得自己的飛船正常地進入了黑洞，那么，他的遭遇又如何呢？研究表明，黑洞內(nèi)部有一個奇特的性質(zhì)，那就是“時空坐標互換”。在黑洞內(nèi)部，原來用于表示半徑的徑向坐標r變成了時間，原來的時間t卻變成了空間坐標。時間與空間不同，它有流逝性，有方向性。那么時間，的方向指向哪里呢？物理學(xué)家們認為，黑洞是由致密的星體（例如中子星）坍縮形成的，形成黑洞的一瞬間，物質(zhì)的運動方向是朝向星體中心（r=0處）的，所以，作為黑洞內(nèi)部的時間參量r，它的指向應(yīng)該朝向r=0的“球心”。然而，由于，已不再是空間坐標，不再是半徑，所以r=0也就不能再稱為球心。那里，實際上是時間的“終點”，是時間終結(jié)的地方。

由于時間的流逝是不可抗拒的，進入黑洞的飛船將不能停留，會不可避免地奔向時間的終點r=0處。其實，任何進入黑洞的物質(zhì)都必須奔向該處。所以，黑洞內(nèi)部，除去r=0那一點之外，全部都是真空。物質(zhì)全部聚集于r=0處，那里物質(zhì)的密度為無窮大。研究表明，在r=0處，時空的曲率也是無窮大，因此這個點被稱為“時空奇點”。圖1給出了球?qū)ΨQ黑洞的結(jié)構(gòu)圖。這里畫出的球?qū)ΨQ黑洞（又稱史瓦西黑洞），是一種最簡單的黑洞。黑洞的表面r=2GM/c2，被稱為事件視界，或者簡稱視界。

在黑洞內(nèi)部，由于，表示時間，所以等，面不再是球面，而是“等時面”，等，面上的各點，處在相同的時刻。由于時間的流逝是不可抗拒的，只能從“過去”流向“未來”，因此等，面成了單向膜。所以，如上所說，進入黑洞內(nèi)部的物質(zhì)，只能向r=0的方向跑，不能停留，更不能向，增大的方向跑。這一方面導(dǎo)致除去奇點r=0處之外，黑洞內(nèi)部整個是真空，另一方面導(dǎo)致洞內(nèi)物質(zhì)不可能往外跑，更不可能跑出洞外。所以黑洞是一顆只進不出的星，任何物質(zhì)都可以掉進去，但任何東西都不能跑出來。

研究表明，進入黑洞的飛船，會很快到達奇點。廣義相對論認為，奇點處于時間之外，所以進入黑洞的飛船和任何其他物質(zhì)，都將很快處于時間之外?！皶r間之外”是什么意思，現(xiàn)在還不清楚。

太陽質(zhì)量的黑洞，半徑大約3千米，進入這種黑洞的飛船，用不了1秒鐘就會到達奇點，處于“時間之外”。當(dāng)然，巨大的黑洞，例如星系級質(zhì)量的黑洞（大約含幾百億、上千億個太陽質(zhì)量），進去的飛船和物質(zhì)需要較長的時間才能抵達奇點，但這仍是一個有限的時間。

那么，進入黑洞的飛船上的宇航員能看到什么呢？能有什么感受呢？研究表明，飛船上的人看不到前方的奇點，也得不到來自前方的任何信息，因為“前方”的信息只有逆著時間前進，才能抵達宇航員的眼中，而逆著時間前進是不可能的。宇航員只能感到周圍的萬有引力越來越強、潮汐力越來越大?？拷纥c時，集中于奇點附近的巨大質(zhì)量，施加于宇航員和飛船的潮汐力會非常大，所以，宇航員和他的飛船都將在很短的時間內(nèi)，被巨大的潮汐力撕碎，壓入奇點，在那里處于時間之外。