淺談對黑洞的認識

王圣美 陸建萍

1789年，法國著名數(shù)學家拉普拉斯提出一個震驚世界的預言，他認為有一種天體，能夠吸引包括光線在內(nèi)的所有物質(zhì)，看上去像一個黑漆漆的洞，即黑洞。

愛因斯坦的廣義相對論公布之后，黑洞問題引起了科學家們的普遍關(guān)注。德國天文學家史瓦西利用廣義相對論重新對黑洞進行解釋，1939年，美國物理學家奧本海默也對黑洞進行研究，肯定了它的存在。

黑洞并不是實實在在的星球，而是一個幾乎空空如也的天區(qū)。黑洞又是宇宙中物質(zhì)密度最高的地方，地球如果變成黑洞，只有一顆黃豆那么大。原來，黑洞中的物質(zhì)不是平均分布在這個天區(qū)的，而是集中在天區(qū)的書已。這些物質(zhì)具有極強的引力，任何物體只能在這個中心外圍游弋。一旦不慎越過邊界，就會被強大的引力招向中心，最終化為粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一個名副其實的太空魔王。

我們通常認為，黑洞是由恒星燃盡而形成的，比如說，如果太陽變成黑洞的話，必需有以下過程：

我們知道太陽是由氫轉(zhuǎn)化成核能來燃燒的，但終究會燃盡所有能量，這個時候太陽會變成不在發(fā)光，不活潑的物質(zhì)，我們成它為白矮星，白矮星會不斷的收縮，密度越來越大，當太陽的直徑達到1500米的時候，它就形成了一個黑洞，這個時候它的質(zhì)量是：每立方厘米200億噸。當然有學者認為太陽質(zhì)量的恒星不足以形成黑洞，但是這個理論無法被證.

我們知道引力是由物質(zhì)產(chǎn)生的，密度越大引力越大，黑洞的引力大到什么程度，當外界物質(zhì)接近它的區(qū)域后，會被迅速吸引，并且完全分解。這個分解過程大約是萬分之一秒。

近年來科學家通過哈博望遠鏡發(fā)現(xiàn)越來越多的黑洞，但是研究它是很有難度的，由于人類釋放出的咖嗎射線和阿爾法射線均無法折回，被人類認為是其光線被完全吸收，所以認為光線無法逃出 ，從而看它不到，即便是用咖嗎射線的望遠鏡拍出來的照片也是一片空白，但是周圍的星體把他明顯的襯托出來了，這一片看不到的東西就是黑洞。

按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉(zhuǎn)的巨大的暗能量組成，它內(nèi)部沒有巨大的質(zhì)量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部產(chǎn)生巨大的負壓以吞噬物體，從而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基礎(chǔ)，也是星團、星系團形成的基礎(chǔ)。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質(zhì)量。當一個物理黑洞的質(zhì)量等于或大于一個星系的質(zhì)量時，我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。但物理黑洞的體積卻非常小，它可以縮小到一個奇點。另外還有白洞與之相對。

2005年3月，美國布朗大學物理教授‘霍拉蒂·納斯塔西在地球上制造出了第一個“人造黑洞“。美國紐約布魯克海文實驗室1998年建造了20世紀全球最大的粒子加速器，將金離子以接近光速對撞而制造出高密度物質(zhì)。雖然這個黑洞體積很小，卻具備真正黑洞的許多特點。紐約布魯克海文國家實驗室里的相對重離子碰撞機，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，產(chǎn)生相當于太陽表面溫度3億倍的熱能。納斯塔西在紐約布魯克海文國家實驗室里利用原子撞擊原理制造出來的灼熱火球，具備天體黑洞的顯著特性。比如：火球可以將周圍10倍于自身質(zhì)量的粒子吸收，這比所有量子物理學所推測的火球可吸收的粒子數(shù)目還要多。

人造黑洞的設(shè)想最初由加拿大“不列顛哥倫比亞大學”的威廉·昂魯教授在20世紀80年代提出，他認為聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過聲速，那么事實上就已經(jīng)在該流體中建立了一個人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力，除了光線外，它們無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。然而，納斯塔西教授制造的人造黑洞已經(jīng)可以吸收某些其他物質(zhì)。因此，這被認為是黑洞研究領(lǐng)域的重大突破。

今年上映的美國大片《星際穿越》就是科學與藝術(shù)的完美結(jié)合，片中超大黑洞卡岡圖雅無疑是《星際穿越》中最令人難忘的場景，跟雄偉壯麗、神秘莫測的黑洞比起來，人類的力量似乎微不足道。基普·索恩是當代廣義相對論和黑洞物理的頂級大師，他關(guān)于黑洞的著作有《黑洞與時間彎曲》。索恩對本片的劇本創(chuàng)作貢獻很大，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授親自寫的，他還為片中布蘭德教授的理論創(chuàng)造了幾個有物理含義的變量。這樣的創(chuàng)作實踐，不僅僅在電影界，在科學界也是前所未有的。

《星際穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那個如同王冠般耀眼的環(huán)形結(jié)構(gòu)是大家最關(guān)注的。這是黑洞周圍的物質(zhì)在引力作用下落入黑洞的同時釋放引力勢能而產(chǎn)生的明亮結(jié)構(gòu)——吸積盤，具體的釋放機制主要是粘滯加熱（viscous heating）。大家知道，如果這個盤是個整體的話（不同半徑角速度相同），那么越到內(nèi)側(cè)盤的線速度應當越來越小，但實際上在引力作用下，盤中的物質(zhì)做著類似衛(wèi)星繞地球的運動：軌道越低（內(nèi)側(cè)），線速度反而越大，這種情形叫較差自轉(zhuǎn)。于是盤中不同半徑的物質(zhì)是在相互“滑動”的，這種互相摩擦就可以釋放相當可觀的能量。至于為何是個盤，因為初始角動量的存在，這些物質(zhì)在剛開始就有一個大致相同的角動量方向（想想太陽系為何也差不多在一個平面上，類似的道理），所以落入黑洞時的軌道也基本在一個面上。索恩經(jīng)過分析之后認為這就是黑洞應有的樣子。索恩說：“以往的電影中從來沒有人展現(xiàn)過黑洞和蟲洞確切的樣子，《星際穿越》做到了，這是人類目前為止得到的最符合物理原理的黑洞景象。”

黑洞這一定義在經(jīng)過漫長的時間推測后，已經(jīng)慢慢被人們所接受。然而在2014年1月24日，英國著名科學家斯蒂芬·霍金教授再次以其與黑洞有關(guān)的理論震驚物理學界。他在日前發(fā)表的一篇論文中承認，黑洞其實是不存在的，不過“灰洞”的確存在。

在其這篇名為《Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes》的論文中，霍金指出，由于找不到黑洞的邊界，因此黑洞是不存在的。黑洞的邊界又稱“視界”。經(jīng)典黑洞理論認為，黑洞外的物質(zhì)和輻射可以通過視界進入黑洞內(nèi)部，而黑洞內(nèi)的任何物質(zhì)和輻射均不能穿出視界。

霍金的最新“灰洞”理論認為，物質(zhì)和能量在被黑洞困住一段時間以后，又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認，自己最初有關(guān)視界的認識是有缺陷的，光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時，它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣，慢慢地通過向外輻射而收縮。

美國天文學家發(fā)現(xiàn)了一個源自127億年前的黑洞，不過這個黑洞距離地球非常遙遠，它是在宇宙大爆炸之后的1億年形成的。但是令所有科學家迷惑的是，是什么力量讓這個宇宙黑洞在這么“短”的時間內(nèi)就形成了這么大質(zhì)量的黑洞的？這個宇宙黑洞是目前全世界發(fā)現(xiàn)的最古老的，已經(jīng)有天文科學家把它命名為+了Q0906+6930，它的質(zhì)量幾乎達到了整個銀河系下的恒星質(zhì)量之和，而它的容量幾乎可以裝下1000個太陽系。這個黑洞僅僅比宇宙晚形成那么幾億年“而已”，像它這樣大容量的黑洞，又這么的古老，真的非常罕見。

宇宙黑洞只是一個模糊的概念，它既看不到也摸不到，只能通過X射線和伽馬射線來確定它的存在和測量它的體積和質(zhì)量。但是對于這個宇宙黑洞的數(shù)據(jù)都是估量值，現(xiàn)在已經(jīng)有一些天文專家準備利用它周圍的天體的X射線和伽瑪射線來精確測量它的精確數(shù)據(jù)。

迄今為止，人類還沒有真正捕捉到黑洞，但基本上肯定了它的存在。人們推測，也許一些星團的中心就是黑洞，銀河系中心也可能是一個質(zhì)量巨大的黑洞。除了大黑洞之外，很可能還存在比小行星還要小的黑洞。甚至有人認為，地球本身也存在著黑洞。隨著科學的不斷發(fā)展，總有一天人們會撩開黑洞的神秘面紗。