有關黑洞的前世今生

　　盧昌海：1971年生，曾就讀于杭州第二中學。美國哥倫比亞大學物理學博士，科普作家。為本刊撰寫過多篇物理學前沿科普文章。現居紐約。
　　
　　如果要在科學術語中評選幾個最吸引大眾眼球的術語，“黑洞”無疑會名列前茅。事實上，這個試圖把自己遮蓋得嚴嚴實實的家伙不僅頻繁出沒于科幻故事中，而且在新聞媒體上也有不低的出鏡率。前不久，一條有關美國國家航空航天局發現“最年輕黑洞”的新聞就被媒體競相轉載。而有關大型強子對撞機有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞，更是在過去幾年時間里反復出現在各大媒體的顯著位置上，甚至還將美國和歐洲的司法界都卷入其中——有人試圖通過法律手段來制止對撞機的啟用，以“拯救”地球。在對撞機開始試運行的2008年9月，在印度還發生了“一個‘黑洞’引發的血案”——一位16歲的花季女孩因擔心微型黑洞毀滅世界而自殺。
　　攪起如此風波的黑洞究竟是什么東西呢？在本文中，我們就圍繞這兩條新聞來談談黑洞的前世今生。
　　
　　到底什么是黑洞
　　黑洞這個概念的起源通常被回溯到1783年。那一年，英國地質學家米歇爾利用牛頓萬有引力定律和光的微粒說得到了一個推論，那就是一個密度與太陽相同的星球如果直徑比太陽大幾百倍，它的表面逃逸速度將會超過光速。這意味著該星球對遠方觀測者來說將成為一顆“暗星”——作為微粒的光將無法從它表面逃逸。不久之后，法國數學家拉普拉斯在《世界體系》一書中也提出了那樣的推論。這個在今天看來只有中學水平的推論，就是黑洞概念的萌芽。
　　但這個萌芽很快就枯萎了。枯萎的原因是它所依賴的前提之一——光的微粒說在科學界失了寵，被“波動說”所取代。波動說顧名思義，就是把光看成是一種波。牛頓引力對光波會有什么影響？卻是一個誰也答不上來的問題。既然答不上這個問題，光能否從星球表面逃逸之類的問題也就無從談起了。因此自《世界體系》的第三版開始，拉普拉斯悄悄刪除了有關黑洞的文字，他這個“與時俱進”的做法基本上為牛頓理論中的黑洞概念畫上了句號。
　　黑洞概念的卷土重來是在20世紀初。那時候，愛因斯坦剛剛提出了廣義相對論。1916年初，被第一次世界大戰的戰火卷到前線，且罹患天皰瘡，“陽壽”只剩五個多月的德國物理學家史瓦西得到了廣義相對論的一個解——史瓦西解。從這個解中，我們可以得到很多推論，比方說如果把太陽壓縮成一個半徑不到3公里的球體，外部觀測者就將再也無法看到陽光，這就是現代意義的黑洞。與米歇爾和拉普拉斯的“暗星”不同，現代意義的黑洞具有很豐富的物理內涵，并且不依賴于類似光的微粒說那樣的前提。
　　遺憾的是，史瓦西解的那些推論在很長時間里不僅沒有被人們所完全了解，反而遭來了一些針對黑洞的反對意見，就連愛因斯坦也曾提出過一些如今看來很幼稚的反對意見。不過，東邊不亮西邊亮，另一個方向上的研究，即對白矮星的研究，卻殊途同歸地將物理學家們引向了黑洞。
　　
　　恒星變老之后就成了黑洞
　　白矮星是耗盡了核聚變能量后的老年恒星，它們的質量與太陽相仿，塊頭卻跟地球差不多，因而密度極高（一湯匙的白矮星物質就有好幾噸重）。白矮星的發現給科學家們帶來一個問題：恒星之所以能穩定存在，是因為內部核聚變反應產生的巨大輻射壓抗衡住了引力，但像白矮星那樣不再有大規模核聚變反應的天體又是如何“維穩”的呢？這是一個很困難的問題。
　　當人們為這一問題傷腦筋時，一門新興學科——量子力學——已經成熟了起來。量子力學中有一條“泡利不相容”原理。按照這條原理，電子是一群極有個性的家伙，每一個都堅持擁有獨一無二的狀態。如果你想壓制這種“個性”，它們就會“殊死抗爭”，這種抗爭在宏觀上會體現為一種巨大的壓強，叫作“電子簡并壓”。白矮星主要就是依靠這種壓強來抗衡引力的。 當時很多人認為，這就是恒星的終極“養老方案”，因為計算表明，“電子簡并壓” 在任何情況下（即對于任何質量的恒星）都足以抗衡引力。
　　然而一位印度青年無情地粉碎了這個美好的“養老方案”，此人名叫錢德拉塞卡，這次美國發現最年輕黑洞的“錢德拉X射線太空望遠鏡”就是以他名字命名的。1930年，本科剛畢業的錢德拉塞卡在研究白矮星時發現了一個出人意料的結果，那就是如果將相對論效應考慮在內，電子簡并壓將大為減弱，尤其是當白矮星的質量超過太陽質量的1.4倍時，電子簡并壓將無法抗衡引力。可電子簡并壓是當時已知的能使老年恒星抗衡引力的唯一機制，如果它不管用了，那老年恒星的命運會是什么樣的呢？這一問題使很多人深感不安，其中包括重量級的英國天文學家愛丁頓。愛丁頓表示，這個結果是荒謬的，大自然一定會讓恒星“老有所依”。用今天的眼光來看，這是一種沒什么說服力的單純信念式的表態。不過當年這一表態卻給錢德拉塞卡帶來了很大麻煩，他的論文直到一年多之后，才在遙遠的美國找到一份雜志發表。
　　后來人們知道，恒星的“養老方案”其實不是唯一的，當電子簡并壓無法抗衡引力時，老年恒星還有另一種歸宿，那就是中子星。中子星是一種密度比白矮星還高一億倍(一湯匙中子星物質可以有幾億噸重)的天體，它依靠的是與電子簡并壓相類似、但更為強大的中子簡并壓。不過可惜的是，后者的強大也是有限度的，當中子星的質量超過太陽質量的3倍時，中子簡并壓也會敗下陣來，這時恒星就真的沒救了，它的歸宿只有一個，那就是黑洞。因此黑洞不僅是史瓦西解（以及后來發現的若干其他解）的推論，也是大質量恒星演化的必然歸宿。
　　
　　怎樣才能找到黑洞
　　所有這些都只是理論，接下來的問題是：像黑洞那樣“黑”的東西，如何才能得到觀測上的證實？解鈴還需系鈴人，能幫助我們觀測黑洞的，恰恰是那個使黑洞變“黑”的幕后推手——引力。黑洞雖然不發光，它的巨大引力卻足以造成許多極為顯著的觀測效應，比方說，如果黑洞附近有足夠多的物質，甚至有大質量的伴星，黑洞的巨大引力就會吞噬那些物質，那些物質在掉進黑洞之前會發射出強烈的X射線。探測這種X射線因此成了探測黑洞最重要的手段之一。
　　好了，現在讓我們再來談談那兩條新聞。錢德拉X射線太空望遠鏡之所以能用來尋找黑洞，正是利用了物質在掉進黑洞之前會發射大量X射線這一特點。此次發現的黑洞之所以被稱為“最年輕”，是因為它只有31歲，它是31年前的一次超新星爆發的遺跡。需要補充說明的是，這個黑洞位于距我們5000萬光年之遙的一個旋渦星系中，我們如今看到的只是它在5000萬年前所發射的X射線，它的真實年齡是5000萬歲而不是31歲。我們怎么知道它是黑洞呢？那是因為天文學家利用X射線能譜等數據估算了它的質量，結果約為太陽質量的5～10倍，超過了中子星的最大可能質量。這就是“最年輕黑洞”這一頭銜的由來。
　　
　　黑洞會吞噬地球嗎
　　接下來我們再談談所謂大型強子對撞機有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞。大型強子對撞機的設計能量為7萬億電子伏特，按照廣義相對論，那樣的對撞機不會產生黑洞。7萬億電子伏特在微觀上雖是一個很高的能量，用宏觀標準來衡量卻只相當于一千萬分之一焦耳，這一丁點兒能量若想形成黑洞，除非是把它壓縮到一個線度為一千億億億億億億分之一米的區域內，這比大型強子對撞機所能達到的最小線度小了一億億億億倍，因此是絕不可能產生微型黑洞的。
　　既然如此，為什么仍有那么多人擔心微型黑洞呢？因為他們背后有“高人”在指點，那些“高人”為他們的擔心注入了一條重要理由，那就是在某些現代物理理論（比如超弦理論）中，時空有不止四個維度。由于引力與時空密切相關，因此時空若有不止四個維度，引力的規律也將有所不同，而引力的規律一旦不同， 產生黑洞的條件就會發生變化。理論計算表明，在那些帶有額外維度的理論中，確實存在一些尚未被實驗所排除的參數范圍，使得大型強子對撞機有可能產生黑洞。
　　幸運的是，即便那些理論是正確的，而參數也恰好處在能使大型強子對撞機產生黑洞的范圍內，那樣的黑洞依然不可能毀滅地球。因為黑洞還有一個我們尚未介紹的重要特點，那就是它并不是全“黑”的。1974年，英國物理學家霍金發現，由于量子效應的影響，黑洞會向外輻射能量。這種所謂的霍金輻射對于大質量黑洞來說是微乎其微的，但對微型黑洞卻極為顯著，而且在時空有不止四個維度的情況下依然存在。計算表明，由于霍金輻射的存在，即便大型強子對撞機能夠產生黑洞，那些黑洞也會在瞬息之間就“人間蒸發”，別說毀滅地球，就連侵吞一兩個原子都未必來得及。
　　至此，大型強子對撞機有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞似乎該煙消云散了。但事實卻不然，有些人依然表示懷疑，因為霍金輻射尚未被觀測證實過。雖然有關微型黑洞毀滅地球的擔心本身也是建立在尚未被觀測證實過的理論之上的，但當科學家們用同樣的理論來回答時，有些人卻拒絕接受。對于這種近乎偏執的懷疑，有一樣東西可以替科學家們作出回應，那就是宇宙射線。
　　大型強子對撞機是人類迄今所建能量最高的對撞機，但浩瀚的宇宙卻有各種辦法產生比那高得多的能量。觀測表明，我們所棲居的地球每秒鐘都會受到十萬次以上的超高能宇宙射線的轟擊，那些宇宙射線與地球物質發生碰撞時所具有的能量比大型強子對撞機的能量更高，而且那樣的轟擊自地球誕生以來從未間斷過（相當于每時每刻都有大型強子對撞機在運行）。 如果大型強子對撞機果真有產生微型黑洞并毀滅地球的風險，那樣的風險應該早就被宇宙射線轉化為現實了。我們今天仍能爭論這一問題本身，就很好地說明了那樣的風險并不存在。事實上，如果我們把眼光放得更遠一點，那么不僅地球每時每刻都受到大量超高能宇宙射線的轟擊，表面積比地球大一萬多倍的太陽更是一個大得多的靶子，如果那樣的轟擊有危險的話，太陽無疑會比地球死得更快。因此，包括太陽在內所有恒星的存在全都是極強的證據，表明大型強子對撞機因產生微型黑洞而毀滅地球的風險是完全可以排除的。
　　事實上，大型強子對撞機若果真能產生微型黑洞的話，那不但不是什么風險，反而是了不起的實驗成就，因為那不僅是對某些現代物理理論的絕佳檢驗，而且還是研究霍金輻射的最好、甚至有可能是唯一的手段。
　　（就在本文清樣時，媒體報道歐洲大型強子對撞機的首次對撞試驗已進行，但沒有發現迷你黑洞。—小編注）