黑洞之謎若干問

張春津

銀河系中心有黑洞嗎?

科學(xué)家通過日本的X射線天文衛(wèi)星，在觀測(cè)一個(gè)名為“MCG-6-30-15”的活躍星系時(shí)突然發(fā)現(xiàn)，來自這個(gè)星系中心的X射線發(fā)生了“引力紅移”，這令科學(xué)家們興奮不已。

所謂“引力紅移”，用愛因斯坦的廣義相對(duì)論解釋，即是在強(qiáng)引力作用下出現(xiàn)的時(shí)間似乎變慢——其實(shí)應(yīng)是光波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象，這是非黑洞理論無法解釋的。這個(gè)現(xiàn)象的確認(rèn)，其意義就相當(dāng)于直接觀測(cè)到黑洞。于是，很多科學(xué)家由此達(dá)成了共識(shí)：所有星系的中心都應(yīng)存在巨型黑洞，我們所在的銀河系也不例外。

然而不久前，美國國家航空航天局出人意料地宣布，天文學(xué)家們?cè)诰o鄰銀河系中心的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆龐大而且非常明亮的恒星。這一發(fā)現(xiàn)讓專家們?nèi)f分詫異：如果銀河系的中心存在一個(gè)巨型黑洞，那么在黑洞附近是不可能存在任何天體的。也就是說，發(fā)現(xiàn)這數(shù)十顆龐大的恒星，將銀河系中心存在巨型黑洞的可能性幾乎降為零。

在星系的中心是否有黑洞的問題上，上述兩種觀測(cè)結(jié)果相互矛盾，在讓人們感到困惑的同時(shí)，也更激起人們揭開黑洞神秘面紗的興趣。

那么，黑洞到底是什么樣的奇怪天體?

早在1783年，英國劍橋大學(xué)的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表的一篇文章中指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊密的恒星會(huì)有極其強(qiáng)大的引力場(chǎng)，以至于連光線都不能逃逸。這樣的恒星，雖然我們不能看到它們發(fā)出的光，但我們卻可以感到它們的巨大引力。

1798年，法國著名的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯，根據(jù)牛頓的引力定律也預(yù)言了黑洞的存在。他說：“一個(gè)密度如地球而直徑為250個(gè)太陽的發(fā)光恒星，由于其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由于這個(gè)原因，宇宙中最大的發(fā)光天體也不能被我們看見。”他當(dāng)時(shí)稱這種天體為“黑暗的一團(tuán)”。

進(jìn)入20世紀(jì)，廣義相對(duì)論的一些論點(diǎn)支持了上述黑洞的預(yù)言。愛因斯坦通過嚴(yán)格計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種特殊的天體所產(chǎn)生的引力是如此強(qiáng)大，能夠扭曲空間與時(shí)間，將大量的物質(zhì)與能量壓縮到一個(gè)很小的點(diǎn)上——“奇點(diǎn)”，沒有任何物質(zhì)能夠從中逃脫，即便是光也沒有可能。

此后，德國天文學(xué)家K·史瓦西于1916年提出了廣義相對(duì)論球?qū)ΨQ引力場(chǎng)的嚴(yán)格解釋，并在其中明確地提出了黑洞設(shè)想。他認(rèn)為，在高致密天體或大質(zhì)量天體周圍某一區(qū)域內(nèi)，逃逸速度等于光速，任何物質(zhì)和輻射都不能逸出。也就是說，當(dāng)恒星的半徑小于一特定值時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí)，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指任何物質(zhì)包括光在內(nèi)，一旦掉進(jìn)去就再不能逃出。這就是后來在天文學(xué)上常說的“史瓦西半徑”。

按照“史瓦西半徑”的設(shè)定，一個(gè)質(zhì)量和太陽一樣的黑洞，它的半徑應(yīng)該只有2.95千米(現(xiàn)在太陽的半徑為70萬千米)，而質(zhì)量和地球一樣的黑洞，它的半徑應(yīng)該還不到0.9厘米。

20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家惠勒將這種天體命名為“黑洞”。從此，黑洞這個(gè)名字就叫開了。

科學(xué)家們給黑洞的基本定義是：一個(gè)具有封閉視界的天體，引力巨大，外來的物質(zhì)和輻射能進(jìn)入視界以內(nèi)，但視界內(nèi)的任何物質(zhì)包括光線都不能跑到外面來。這個(gè)視界就是黑洞的邊界。

根據(jù)以上對(duì)黑洞的描述可以發(fā)現(xiàn)，如果銀河系中心有一個(gè)巨型黑洞，由于它所具有的巨大引力，可將它周圍的所有物質(zhì)都吸引進(jìn)去。也就是說如果緊鄰黑洞的周圍有恒星的話，它們必將被撕裂后吸引到黑洞的“血盆大口”之中。然而奇怪的是，天文學(xué)家們?cè)诰o鄰銀河系中心的區(qū)域內(nèi)，竟然發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆體型完好且龐大無比的恒星，可以說，這就基本排除了銀河系中心有巨型黑洞的說法。

星系的中心究竟有沒有黑洞，是否銀河系中心沒有黑洞，其他星系的中心也沒有黑洞?還是銀河系只是一個(gè)特殊，不排除其他星系中心有巨型黑洞的可能?假若銀河系中心有黑洞的話，它會(huì)不會(huì)因?yàn)樘厥獾脑颍梢詫ê阈窃趦?nèi)的其他物質(zhì)“關(guān)”在門外?類似這樣的一些問題，有待于科研人員不斷探索，逐步找到正確的答案。

黑洞是“時(shí)空隧道”的入口嗎?

真的有“時(shí)空隧道”嗎?

此說源于1988年，美國天文學(xué)家索恩和他的兩名學(xué)生，共同發(fā)表文章論述“蟲洞”的特性，認(rèn)為如果“蟲洞”開通了黑洞與白洞兩個(gè)奇點(diǎn)之間的一條神秘通道，這條通道開在現(xiàn)實(shí)的三維空間之外的超空間里，就可通過這條捷徑從黑洞鉆進(jìn)奇點(diǎn)，從一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的“白洞奇點(diǎn)”鉆出，這樣一種旅行是即時(shí)的，等效于超越光速。

然而，一些科學(xué)家對(duì)此結(jié)論難以接受。霍金一開始就持反對(duì)的態(tài)度，認(rèn)為時(shí)間只能向前不能向后的特性是不容破壞的，物理學(xué)定律不允許有什么“時(shí)間機(jī)器”可以使時(shí)光倒流。但索恩的回答是：“在物理學(xué)深刻認(rèn)識(shí)量子引力理論之前，我們誰也不能下結(jié)論。”美國物理學(xué)家福特和羅曼也指出，相對(duì)論并沒有嚴(yán)格排除快于光速的旅行或時(shí)光旅行。時(shí)光旅行需具備“蟲孔”和“負(fù)面能源”兩大條件。宇宙間不同的時(shí)間和空間通過“蟲孔”可以互通。“負(fù)面能源”可以抗拒引力用來打開“蟲孔”，穩(wěn)定“時(shí)光隧道”。英國牛津大學(xué)理論物理學(xué)教授強(qiáng)森也相信，有朝一日，人類將能夠邀游宇宙，縱橫古今。

就在兩種對(duì)立的說法相持不下時(shí)，霍金改變了態(tài)度。他公開承認(rèn)時(shí)光旅行的可能性，使得夢(mèng)想穿梭于歷史中的人們感到異常興奮。他說：“當(dāng)科學(xué)尚未能讓人類登上前所未有的奇妙境地之前，科幻小說早已使我們?cè)诟鞣N異想天開的可能性中先行盡游……”他表示，一旦他把相對(duì)論及量子論結(jié)合在一起思考對(duì)照，發(fā)覺超光速星際旅行極可能將會(huì)造成使人們回到過去的結(jié)果時(shí)，天文物理學(xué)終于邁向一個(gè)嶄新的紀(jì)元!

時(shí)至今日，相信人類能夠通過所謂的超光速旅行而回到過去的人越來越多，這不但是人們出于對(duì)時(shí)光倒流的奇妙想法極為熱衷，而且關(guān)鍵問題是它與“奇點(diǎn)”的理論相襯托，甚至傳說有很多真實(shí)事件能夠佐證——

1990年9月9日，在南美洲委內(nèi)瑞拉的卡拉加機(jī)場(chǎng)控制塔上，人們突然發(fā)現(xiàn)一架早已淘汰了的“道格拉斯型”客機(jī)飛臨機(jī)場(chǎng)。經(jīng)核查，這架客機(jī)是泛美航空公司914號(hào)班機(jī)，它是于1955年7月2日從紐約起飛，飛往佛羅里達(dá)，突然途中失蹤，一直找不到。當(dāng)時(shí)認(rèn)為該機(jī)掉入了大海，機(jī)上的五十多名乘客全部賠償了死亡保險(xiǎn)金。而35年之后，當(dāng)這些乘客回到美國的家里，令他們和家人都大吃一驚：在乘客的眼里，孩子們和親人都老了；而在家人的眼里，乘客仍和35年前一樣年輕。美國警方和科學(xué)家們專門檢查了這些人的身份證和身體，確認(rèn)這不是鬧劇，而是確鑿的事實(shí)。

類似的事件還有數(shù)十起。這些傳聞雖然未經(jīng)官方證實(shí)，聽起來“神乎其神”，但按照黑洞理論去對(duì)照，這些事情是有發(fā)生的可能的。因?yàn)樵诤诙粗校?/p>

時(shí)間和空間的概念截然不同，用“洞中方一日，世上已十年”，或者“仙境一日，凡世千載”來描繪黑洞都不能算是確切的，因?yàn)檫@個(gè)“洞”或“仙境”之中連1秒鐘的時(shí)間都沒有，沒有時(shí)間也就沒有三維空間，完全是即時(shí)的。

現(xiàn)今，世界上出現(xiàn)的很多不解之謎，只要與時(shí)間和空間的奧秘有關(guān)，那就預(yù)示著與這神秘的黑洞有關(guān)。不過，有學(xué)者持相反的意見，認(rèn)為任何三維物體都不能進(jìn)入黑洞，只能不相容地“穿”過黑洞。以“穿”過黑洞作為捷徑，能夠節(jié)省大量的時(shí)間和消耗，這應(yīng)該是一種比較現(xiàn)實(shí)的“時(shí)空隧道”。但你若想進(jìn)入黑洞中，就必須改變物體的性質(zhì)，把自身變成無形物，變成原始的宇宙射線，變成某種波，這樣的話，你就不復(fù)存在了。

究竟有沒有“時(shí)空隧道”?它是屬于人們的“科幻作品”，還是確有其事?由于它與黑洞問題緊密相關(guān)，所以，隨著黑洞之謎的逐步破解，“時(shí)空隧道”的真實(shí)面目也會(huì)顯露出來。

黑洞是否存在?

一些美國科學(xué)家明確提出，所謂的黑洞純屬子虛烏有，根本就不存在。而另一些科學(xué)家則不贊同沒有黑洞的觀點(diǎn)。

我國的天文學(xué)研究者則提出，黑洞可以暗能量的形式存在。暗能量黑洞內(nèi)部沒有質(zhì)量也沒有密度，整體以“虛空”的形式產(chǎn)生巨大的負(fù)壓(即能量的來源之一)以排斥有形物體，從而形成黑洞。當(dāng)宇宙、超星系團(tuán)、星系團(tuán)甚至星系形成時(shí)，天體巨大的爆發(fā)力和坍縮力，可在一瞬間達(dá)到光速，所有達(dá)到光速的區(qū)域，都可形成了暗能量黑洞。

如何理解暗能量黑洞?

研究者的解釋是，我們所在的這個(gè)看得見的有形物質(zhì)世界，應(yīng)是建立在無形暗能量世界層次形態(tài)之上的：前者有時(shí)空概念，而后者是沒有時(shí)空概念的。在無形暗能量世界形態(tài)中，一切暗能量都是超光速的；而在有形的物質(zhì)世界形態(tài)中，一切都是亞光速的。光速是兩種不同世界形態(tài)的分界嶺。

不知道大家是否還記得，愛因斯坦在相對(duì)論中多次用“愛因斯坦號(hào)”列車來舉例說明時(shí)空的相對(duì)關(guān)系，而這位研究者則用航天飛機(jī)來表述暗能量黑洞的特殊性質(zhì)：

假設(shè)：從甲地到乙地的距離是72萬公里，航天飛機(jī)的航速是每小時(shí)24萬公里，因此按照常規(guī)，甲地到乙地的飛行時(shí)間應(yīng)是3小時(shí)。但是，因?yàn)樵诩椎氐揭业氐谋亟?jīng)之路上有一個(gè)暗能量黑洞，這個(gè)黑洞的直徑是24萬公里，于是奇跡就發(fā)生了——

航天飛機(jī)從甲地到乙地的飛行時(shí)間實(shí)際只用了2小時(shí)。

這是什么原因呢?原來，當(dāng)航天飛機(jī)的頭部剛剛接觸到暗能量黑洞區(qū)域的邊界線時(shí)，它同時(shí)已經(jīng)從另一端出了邊界線。也就是說，當(dāng)航天飛機(jī)的后半部，剛剛到達(dá)24萬公里處的位置時(shí)，它的前半部分已經(jīng)超過了48萬公里了。盡管如此，這架航天飛機(jī)絕沒有斷成兩截，它始終是完整的。

但有一件奇怪的事情必然要發(fā)生：假設(shè)航天飛機(jī)是在早上8點(diǎn)起飛的，那么，在甲地給航天飛機(jī)送行的人，和在乙地準(zhǔn)備迎接航天飛機(jī)的人，包括乘上了航天飛機(jī)的人，此時(shí)他們的手表所標(biāo)明的時(shí)間全都是8點(diǎn)。可是，當(dāng)航天飛機(jī)穿越了黑洞抵達(dá)乙地時(shí)，曾在甲地送行的人和正在乙地迎接航天飛機(jī)的人，此時(shí)他們的手表所標(biāo)明的時(shí)間都是11點(diǎn)，而航天飛機(jī)上的乘客，他們的手表所標(biāo)明的時(shí)間卻是10點(diǎn)。所差的時(shí)間，正好是穿越暗能量黑洞所節(jié)省的時(shí)間。按照這一結(jié)果來類推，黑洞的直徑越大，那么航天飛機(jī)到達(dá)乙地時(shí)，機(jī)上的時(shí)間和機(jī)下的時(shí)間就相差得越多；再進(jìn)一步說，航天飛機(jī)穿越的黑洞越多，它節(jié)省的時(shí)間就越多。

這個(gè)暗能量黑洞給人們留下了這樣的印象：它沒有什么引力，不會(huì)把它附近的物質(zhì)吸進(jìn)去，只是一個(gè)不容三維性物質(zhì)進(jìn)入的特殊區(qū)域；這個(gè)特殊區(qū)域中無論哪一個(gè)點(diǎn)，不但時(shí)間都等于零，而且它的“空間”對(duì)于三維性物質(zhì)而言也等于零。因此，不管什么三維物質(zhì)“穿”過它時(shí)，都不需要時(shí)間，都是即時(shí)性的。

但是，一維性的光線通過它時(shí)則情況不同。光線穿過黑洞會(huì)由于某種原因發(fā)生頻率變慢的情況，頻率變慢即波長(zhǎng)變長(zhǎng)，這可能就是科學(xué)家們通過日本的x射線天文衛(wèi)星，在觀測(cè)一個(gè)名為“MCG—6—30—15”的活躍星系時(shí)發(fā)現(xiàn)來自這個(gè)星系中心的X射線發(fā)生了“引力紅移現(xiàn)象的原因。

究竟有沒有暗能量黑洞?有什么辦法能夠發(fā)現(xiàn)它的身影?這些問題正等待著人們?nèi)ヌ剿鳌?/p>