文 / 沈蕙舒 聞新

宇宙中到底有沒(méi)有黑洞？如果有，茫茫宇宙中黑洞又會(huì)在哪呢？直至今日，人類(lèi)雖然無(wú)法直接觀察到黑洞,但人們對(duì)黑洞的存在卻是確信無(wú)疑的。

▲ 藝術(shù)家筆下的黑洞

“黑洞”概念的起源

1783年，英國(guó)科學(xué)家約翰·米歇爾提出：存在比太陽(yáng)質(zhì)量更大的恒星，其逃逸速度超過(guò)光速，因此任何光都可以被這種恒星的引力拖拽回去，在那種情況下，連光線(xiàn)都看不到。米歇爾將這種恒星叫做“暗星”，就是現(xiàn)在所謂的“黑洞”。

1795年，法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·拉普拉斯將光速的有限性與經(jīng)典力學(xué)中的最大逃逸速度相結(jié)合，第一次提出了“黑洞”的概念，他也因此被稱(chēng)為“黑洞”之父。

▲ 黑洞

1915年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，這一理論首次將引力解釋成時(shí)空的彎曲，即任何有質(zhì)量的物體都會(huì)使其周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生彎曲，這種時(shí)空彎曲進(jìn)而會(huì)影響其它物體的運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)從本質(zhì)上來(lái)看物體之間相互吸引其實(shí)是因?yàn)闀r(shí)空是彎曲的，這就好比在一塊平整的布上放一個(gè)籃球，籃球會(huì)使其周?chē)牟济姘枷菹氯?，而?dāng)我們?cè)诨@球的旁邊再放一個(gè)小球時(shí)，小球便會(huì)順著布面凹陷的方向運(yùn)動(dòng)，直至和籃球發(fā)生碰撞。在這里，如果把布面看成時(shí)空的話(huà)，布面的凹陷就是時(shí)空的彎曲，而小球的運(yùn)動(dòng)就可以看作是時(shí)空彎曲的結(jié)果。

1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)嚴(yán)格解，從這個(gè)解中我們可以得到，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周?chē)嬖谝粋€(gè)界面——“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。這種“不可思議的天體”就是我們所說(shuō)的黑洞。

黑洞，是人們對(duì)宇宙空間一個(gè)區(qū)域的形象稱(chēng)呼。如果宇宙中確實(shí)存在黑洞的話(huà)，那才是名副其實(shí)的黑洞，不但物體掉進(jìn)去會(huì)消失得無(wú)影無(wú)蹤，就連光也休想從那里逃逸出來(lái)，它就像一個(gè)無(wú)底洞，永遠(yuǎn)也填不滿(mǎn)，因此它也被稱(chēng)為“星墳”。

▲ 赫羅圖

黑洞的前世之謎

丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國(guó)天文學(xué)家羅素分別于1911年和1913年提出赫羅圖。赫羅圖表示的是恒星的光譜類(lèi)型與光度的關(guān)系，其中圖像的縱軸是光度與絕對(duì)星等（光度是指恒星每秒輻射出的總能量，絕對(duì)星等是指把恒星放在距地球32.6光年的地方所得到的亮度），橫軸則是光譜類(lèi)型或恒星的表面溫度。恒星的光譜類(lèi)型可分為O、B、A、F、G、K、M七種，該光譜類(lèi)型與恒星表面溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即O到M的光譜類(lèi)型對(duì)應(yīng)的恒星表面溫度依次遞減。根據(jù)赫羅圖我們可以看出主序?qū)蔷€(xiàn)中恒星的亮度越大，其表面溫度就越高。

天文學(xué)家們以赫羅圖為基礎(chǔ)，認(rèn)為恒星一生經(jīng)歷了星云、原恒星、主序星、紅巨星等演化過(guò)程。紅巨星繼續(xù)演化，就會(huì)變成了“鐵心”的天體。而當(dāng)鐵核質(zhì)量達(dá)到了2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以上時(shí)，就會(huì)成為“黑洞”。

▲ 超大質(zhì)量黑洞

除了由恒星演化而成的黑洞之外，還有一種是人們尚不清楚形成原因的超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量可達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)十億倍。上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們?cè)谟钪嬷邪l(fā)現(xiàn)了一些特殊的天體，它們看起來(lái)和恒星很相似，但又不是恒星，于是科學(xué)家們將它們命名為類(lèi)星體。類(lèi)星體距我們非常遠(yuǎn)，但它們發(fā)出的光卻特別亮，而且和它們具有的能量相比，它們的體積顯得異常小。據(jù)此，很多科學(xué)家認(rèn)為類(lèi)星體的中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，物質(zhì)在被吸入類(lèi)星體中心時(shí)會(huì)高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)物質(zhì)與物質(zhì)之間也會(huì)靠得越來(lái)越緊密，進(jìn)而物質(zhì)之間相互摩擦，產(chǎn)生熱量，發(fā)出很亮的光。

黑洞的今生之貌

黑洞的面貌

▲ 百度“黑洞”特性

你大概還沒(méi)有體驗(yàn)過(guò)，今天如果你在百度里搜索“黑洞”一詞，百度就會(huì)立即呈現(xiàn)出一種黑洞影響力的情景：一個(gè)巨大的黑洞占據(jù)了屏幕，把屏幕中所有的東西都吸走了。

那么，黑洞面貌是怎樣的呢？ 在人類(lèi)社會(huì)中，有些人過(guò)著隱士般的生活，喜歡獨(dú)居，希望別人不要過(guò)多地探詢(xún)有關(guān)他們的事情。類(lèi)似地，在宇宙里，黑洞也是一個(gè)隱居者。理論上講，黑洞本來(lái)是一顆恒星，然而它最終沒(méi)有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個(gè)小小的、不可逃逸的奇點(diǎn)。在《星際穿越》影片中，黑洞模型是一道光輪環(huán)繞著里面的球形大漩渦，看起來(lái)似乎既從上面彎過(guò)去，又從下面彎過(guò)來(lái)。

黑洞的種類(lèi)

目前，對(duì)于不帶電荷的黑洞，科學(xué)家認(rèn)為有兩類(lèi)：史瓦西黑洞和克爾黑洞。

在宇宙空間里，史瓦西黑洞居多數(shù)，所以也稱(chēng)為“尋常黑洞”。史瓦西黑洞是由較大的恒星到壽命晚期時(shí)，核燃料消耗殆盡，輻射壓急劇減弱，并在星體自身引力的作用下坍縮，最終演化為“尋常黑洞”?？茖W(xué)家不清楚史瓦西黑洞本身是不是球體，但它外面的視界是球體。

▲ 計(jì)算機(jī)模擬的史瓦西黑洞

▲ 克爾黑洞

克爾黑洞是在史瓦西黑洞的基礎(chǔ)上，讓黑洞旋轉(zhuǎn)起來(lái)得到的。不同于史瓦西黑洞，克爾黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?？藸柡诙粗行氖且粋€(gè)奇環(huán)，有內(nèi)外兩個(gè)視界。內(nèi)視界為黑洞奇異性的界限，而外視界則為不可逃脫的界限?？藸柡诙吹淖钔鈬€有一個(gè)界限稱(chēng)為靜止界限，也稱(chēng)“靜界”。靜界是克爾黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)拖動(dòng)著周?chē)臅r(shí)空一起轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，該處時(shí)空的旋轉(zhuǎn)速度等于光速。靜界和外視界之間的夾層稱(chēng)為能層，所有進(jìn)入“能層”又逃逸的物體本質(zhì)上是從黑洞中獲取了能量。

克爾黑洞可能與白洞連接，因此，進(jìn)入克爾黑洞的物體只要不撞在奇環(huán)上就有可能從白洞出來(lái)。由此看見(jiàn)，如果你執(zhí)意要進(jìn)入黑洞體驗(yàn)一番，那么請(qǐng)選擇克爾黑洞，因?yàn)榛蛟S你能夠從白洞出來(lái)。

黑洞的影響力

▲ 德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西提出物體的史瓦西半徑的概念

關(guān)于黑洞的影響力，我們可以通過(guò)一個(gè)例子來(lái)解釋?，F(xiàn)在設(shè)想在彈簧床面上放置一塊質(zhì)量非常大的圓石頭代表黑洞，顯然，這將大大影響床面，床面不僅會(huì)彎曲，甚至還有可能斷裂。類(lèi)似的情形會(huì)在宇宙中出現(xiàn)，若宇宙中某處存在黑洞，則該處的宇宙結(jié)構(gòu)將被撕裂。這種時(shí)空結(jié)構(gòu)的撕裂稱(chēng)為“時(shí)空的奇異性”或“奇點(diǎn)”。

被黑洞吸入不能再返回的邊界叫做“黑洞視界”，這個(gè)“黑洞視界”在一個(gè)被稱(chēng)為“史瓦西半徑”的一個(gè)球殼上。“史瓦西半徑”是任何具有重力的臨界半徑，其長(zhǎng)短只與物體的質(zhì)量成正比，一個(gè)重力天體的半徑只要小于其“史瓦西半徑”就會(huì)發(fā)生塌陷，進(jìn)而被稱(chēng)為黑洞。地球的“史瓦西半徑”約為9毫米，而太陽(yáng)的“史瓦西半徑”約為3公里。如果有一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，那么只要距離這個(gè)黑洞中心3公里以外，就沒(méi)有危險(xiǎn)，就算飛船從黑洞旁邊飛過(guò)去也不會(huì)被抓住。

黑洞輻射

任何進(jìn)入黑洞的東西都不能逃逸出去，但科學(xué)家又認(rèn)為黑洞會(huì)慢慢地釋放其能量。這又是怎么回事呢？

早在1970年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)黑洞和熱力學(xué)之間存在某些關(guān)聯(lián)：當(dāng)物質(zhì)落入黑洞后，黑洞的視界表面積會(huì)增加，而將這條性質(zhì)與熱力學(xué)定律相對(duì)比就會(huì)發(fā)現(xiàn)，黑洞的視界表面積和熱力學(xué)中的熵很是相似。那視界表面積和熵究竟有什么關(guān)系呢？1972年，物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦還是一名研究生，他提出視界表面積就是黑洞熵的度量，當(dāng)一個(gè)有熵的物體落入黑洞時(shí)，黑洞的視界表面積就會(huì)增加。同時(shí)，貝肯斯坦還指出一個(gè)黑洞的熵是有限的，而這表明，黑洞處在有限溫度的熱輻射平衡狀態(tài)，但是當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為黑洞不會(huì)向外發(fā)出任何輻射。直至1974年，著名物理學(xué)家霍金證明，黑洞具有與其溫度相對(duì)應(yīng)的熱輻射，稱(chēng)為黑洞輻射。并且霍金提出：黑洞的質(zhì)量越大，溫度越低，發(fā)射過(guò)程就越慢，反之亦然。

非星黑洞

霍金指出，宇宙中還存在另一種類(lèi)型的非星黑洞。大爆炸期間，宇宙處在極高的溫度和極大的密度狀態(tài)，那時(shí)有可能產(chǎn)生為數(shù)眾多的微型原生黑洞。但這種微型黑洞和大質(zhì)量黑洞不同，它們不斷地?fù)p失質(zhì)量直到消失。在一個(gè)微型黑洞的附近，可以形成諸如質(zhì)子和反質(zhì)子這類(lèi)粒子。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子從微型黑洞的引力中逃逸，它們就會(huì)湮滅并產(chǎn)生能量。如果這一過(guò)程一再重復(fù)，微型黑洞則耗損掉全部能量，最終就是黑洞被“蒸發(fā)”了。

人類(lèi)自始至終都在科學(xué)探索方向奮力前行，關(guān)于黑洞，人們目前掌握的還只是少許碎片。我們相信，當(dāng)人們把散落在宇宙中的碎片拼接完整時(shí)，我們離宇宙的真相也就不遠(yuǎn)了?！?/p>