黑洞的前世今生

文 / 沈蕙舒 聞新

宇宙中到底有沒有黑洞？如果有，茫茫宇宙中黑洞又會在哪呢？直至今日，人類雖然無法直接觀察到黑洞,但人們對黑洞的存在卻是確信無疑的。

▲ 藝術家筆下的黑洞

“黑洞”概念的起源

1783年，英國科學家約翰·米歇爾提出：存在比太陽質量更大的恒星，其逃逸速度超過光速，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，連光線都看不到。米歇爾將這種恒星叫做“暗星”，就是現在所謂的“黑洞”。

1795年，法國科學家皮埃爾·拉普拉斯將光速的有限性與經典力學中的最大逃逸速度相結合，第一次提出了“黑洞”的概念，他也因此被稱為“黑洞”之父。

▲ 黑洞

1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，這一理論首次將引力解釋成時空的彎曲，即任何有質量的物體都會使其周圍的時空產生彎曲，這種時空彎曲進而會影響其它物體的運動。也就是說從本質上來看物體之間相互吸引其實是因為時空是彎曲的，這就好比在一塊平整的布上放一個籃球，籃球會使其周圍的布面凹陷下去，而當我們在籃球的旁邊再放一個小球時，小球便會順著布面凹陷的方向運動，直至和籃球發(fā)生碰撞。在這里，如果把布面看成時空的話，布面的凹陷就是時空的彎曲，而小球的運動就可以看作是時空彎曲的結果。

1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個嚴格解，從這個解中我們可以得到，如果將大量物質集中于空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——“視界”，一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”就是我們所說的黑洞。

黑洞，是人們對宇宙空間一個區(qū)域的形象稱呼。如果宇宙中確實存在黑洞的話，那才是名副其實的黑洞，不但物體掉進去會消失得無影無蹤，就連光也休想從那里逃逸出來，它就像一個無底洞，永遠也填不滿，因此它也被稱為“星墳”。

▲ 赫羅圖

黑洞的前世之謎

丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素分別于1911年和1913年提出赫羅圖。赫羅圖表示的是恒星的光譜類型與光度的關系，其中圖像的縱軸是光度與絕對星等（光度是指恒星每秒輻射出的總能量，絕對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），橫軸則是光譜類型或恒星的表面溫度。恒星的光譜類型可分為O、B、A、F、G、K、M七種，該光譜類型與恒星表面溫度有一定的對應關系，即O到M的光譜類型對應的恒星表面溫度依次遞減。根據赫羅圖我們可以看出主序對角線中恒星的亮度越大，其表面溫度就越高。

天文學家們以赫羅圖為基礎，認為恒星一生經歷了星云、原恒星、主序星、紅巨星等演化過程。紅巨星繼續(xù)演化，就會變成了“鐵心”的天體。而當鐵核質量達到了2個太陽質量以上時，就會成為“黑洞”。

▲ 超大質量黑洞

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量黑洞，它的質量可達到太陽質量的數十億倍。上世紀60年代，科學家們在宇宙中發(fā)現了一些特殊的天體，它們看起來和恒星很相似，但又不是恒星，于是科學家們將它們命名為類星體。類星體距我們非常遠，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。據此，很多科學家認為類星體的中心有一個超大質量黑洞，物質在被吸入類星體中心時會高速運動，同時物質與物質之間也會靠得越來越緊密，進而物質之間相互摩擦，產生熱量，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

你大概還沒有體驗過，今天如果你在百度里搜索“黑洞”一詞，百度就會立即呈現出一種黑洞影響力的情景：一個巨大的黑洞占據了屏幕，把屏幕中所有的東西都吸走了。

那么，黑洞面貌是怎樣的呢？ 在人類社會中，有些人過著隱士般的生活，喜歡獨居，希望別人不要過多地探詢有關他們的事情。類似地，在宇宙里，黑洞也是一個隱居者。理論上講，黑洞本來是一顆恒星，然而它最終沒有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個小小的、不可逃逸的奇點。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，看起來似乎既從上面彎過去，又從下面彎過來。

黑洞的種類

目前，對于不帶電荷的黑洞，科學家認為有兩類：史瓦西黑洞和克爾黑洞。

在宇宙空間里，史瓦西黑洞居多數，所以也稱為“尋常黑洞”。史瓦西黑洞是由較大的恒星到壽命晚期時，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。

▲ 計算機模擬的史瓦西黑洞

▲ 克爾黑洞

克爾黑洞是在史瓦西黑洞的基礎上，讓黑洞旋轉起來得到的。不同于史瓦西黑洞，克爾黑洞內部結構比較復雜?？藸柡诙粗行氖且粋€奇環(huán)，有內外兩個視界。內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€有一個界限稱為靜止界限，也稱“靜界”。靜界是克爾黑洞旋轉時拖動著周圍的時空一起轉動產生的，該處時空的旋轉速度等于光速。靜界和外視界之間的夾層稱為能層，所有進入“能層”又逃逸的物體本質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。由此看見，如果你執(zhí)意要進入黑洞體驗一番，那么請選擇克爾黑洞，因為或許你能夠從白洞出來。

黑洞的影響力

▲ 德國天文學家卡爾·史瓦西提出物體的史瓦西半徑的概念

關于黑洞的影響力，我們可以通過一個例子來解釋?，F在設想在彈簧床面上放置一塊質量非常大的圓石頭代表黑洞，顯然，這將大大影響床面，床面不僅會彎曲，甚至還有可能斷裂。類似的情形會在宇宙中出現，若宇宙中某處存在黑洞，則該處的宇宙結構將被撕裂。這種時空結構的撕裂稱為“時空的奇異性”或“奇點”。

被黑洞吸入不能再返回的邊界叫做“黑洞視界”，這個“黑洞視界”在一個被稱為“史瓦西半徑”的一個球殼上。“史瓦西半徑”是任何具有重力的臨界半徑，其長短只與物體的質量成正比，一個重力天體的半徑只要小于其“史瓦西半徑”就會發(fā)生塌陷，進而被稱為黑洞。地球的“史瓦西半徑”約為9毫米，而太陽的“史瓦西半徑”約為3公里。如果有一個太陽質量的黑洞，那么只要距離這個黑洞中心3公里以外，就沒有危險，就算飛船從黑洞旁邊飛過去也不會被抓住。

黑洞輻射

任何進入黑洞的東西都不能逃逸出去，但科學家又認為黑洞會慢慢地釋放其能量。這又是怎么回事呢？

早在1970年，科學家們就發(fā)現黑洞和熱力學之間存在某些關聯：當物質落入黑洞后，黑洞的視界表面積會增加，而將這條性質與熱力學定律相對比就會發(fā)現，黑洞的視界表面積和熱力學中的熵很是相似。那視界表面積和熵究竟有什么關系呢？1972年，物理學家雅各布·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，當一個有熵的物體落入黑洞時，黑洞的視界表面積就會增加。同時，貝肯斯坦還指出一個黑洞的熵是有限的，而這表明，黑洞處在有限溫度的熱輻射平衡狀態(tài)，但是當時人們認為黑洞不會向外發(fā)出任何輻射。直至1974年，著名物理學家霍金證明，黑洞具有與其溫度相對應的熱輻射，稱為黑洞輻射。并且霍金提出：黑洞的質量越大，溫度越低，發(fā)射過程就越慢，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)，那時有可能產生為數眾多的微型原生黑洞。但這種微型黑洞和大質量黑洞不同，它們不斷地損失質量直到消失。在一個微型黑洞的附近，可以形成諸如質子和反質子這類粒子。當一個質子和一個反質子從微型黑洞的引力中逃逸，它們就會湮滅并產生能量。如果這一過程一再重復，微型黑洞則耗損掉全部能量，最終就是黑洞被“蒸發(fā)”了。

人類自始至終都在科學探索方向奮力前行，關于黑洞，人們目前掌握的還只是少許碎片。我們相信，當人們把散落在宇宙中的碎片拼接完整時，我們離宇宙的真相也就不遠了?！?/p>