黑洞乎？墓星乎？

陈壮叔

黑洞也许是最奇怪的天体，科学家甚至社会大众，都对它颇感兴趣。

黑洞这一概念可追溯到第一次世界大战之时。当时身在前苏联前线的德国天文学家斯瓦兹在解爱因斯坦的引力方程时发现，大质量恒星周围的时空将被极大地弯曲，以致把一个很大的星球挤压到一个很小的空间之内，而其密度将变成无限大。斯瓦兹的看法发表后，物理学家既感到好奇，也给予认同。当时爱因斯坦本人也接受这一思想，不过他认为这只是一个学术问题，宇宙中是否真的有黑洞，那又是另一回事了。但科学界逐渐地相信黑洞确实存在。他们认为，一个大质量星球最后将以超新星爆发的形式终其一生，此时留下的(原星体)核心部分，若其质量为太阳的两倍，那么宇宙中便没有一种力量能阻止引力把它挤压成一点，这就是奇点。在这个无限大密度的奇点上，一切已知的物理定律皆失效。而奇点有一个外“层”，称为视界，它是一种空间的边界，而并非一个物质构成的实体。奇点及其外层的视界便构成了黑洞。最令人感到惊奇的是，任何物质或辐射(如光)，一旦穿入视界，就永无出来之日，它们都被吞入到奇点之中了!不过迄今，没有一个确切的观察证据能表明黑洞的存在。

最近有两位美国科学家，公然挑战黑洞，他们说，大质量恒星的最终结局不是黑洞，而是他们所称的“墓星”。按摩吐拉和麦查的看法，墓星是一个极冷的空壳，壳层极薄而异常密实，壳层内却是一个具有弹性的奇异空间。它也不发光，但当有物质落到壳层上时，它就发出强光，那是因为这些物质在墓星的强引力作用下，跟壳层发生非常剧烈地碰撞，以致它们完全转变成能量。

我们知道，在星系(包括我们银河系)中心，悬着一个重达几百万个太阳质量的密实天体，很多科学家都说，那就是一个黑洞。这是因为人们观察到一些热量、气体和尘粒，都向它盘旋而去，且辐射出明亮的X射线。而摩吐拉等说，这并不意味着这个中心天体就是灾变性的黑洞，这可能只是一个极大质量的天体，或者说它可能是一个墓星。

他们说，即使不考虑缺乏有关黑洞的确切观察证据，黑洞理论本身也存在不少问题，至少它的存在确实难以置信。最根本的一条，斯瓦兹的想像跟宇宙实际不大一样。斯瓦兹的黑洞论仅来自爱因斯坦理论，问题也正在这里。我们的宇宙世界，大至几百万到近亿光年跨度的星系团、超星系团，小至基本粒子(电子、质子等)，它们小于1／1000纳米，前者是相对论描述的对象，而后者却是量子论的天地。如果要对宇宙做出恰当地描述，那就必须把这两个理论结合起来。

麦查和摩吐拉对量子引力论(即将上述两种理论结合起来的一种理论)已研究了近10年，他们观测了时空和能量场(如电磁场)中的“量子起伏”。例如真空空间，从来也不是绝对空的，在最微小的尺度上，基本粒子不断地出现和消失，使空间变成了一个沸腾的大海洋。我们之所以感觉不出来，是因为它们太微小了，但这种微观尺度上的量子起伏，却能影响到大尺度上的引力行为(如黑洞)。而早期的这些黑洞理论家，都忽视了量子效应，从而提出了一种不切实际的概念。按他们的看法，斯瓦兹的黑洞概念就是这种不切实际的一例。

例如按黑洞的传统理论，黑洞应具有很高的熵。可是当恒星变成黑洞时，该星的全部物质和信息似乎都被挤压到奇点之中，甚至被挤压掉(指信息)。而现行黑洞理论却认为，黑洞的熵要比原恒星的大上亿万倍(即黑洞所含的信息量更大)。摩吐拉问道，这些额外的熵从何而来?它们又藏于何处?这是完全不能理解的。

另一个不可能的情况是，当光子落入黑洞时，它首先要通过视界，而一旦碰上视界，光子将获得无限大的能量。但如此大的能量出现时，将引起强烈的引力效应，而现行黑洞理论却无视这个问题。上述这些情况，都是黑洞理论中存在的根本性矛盾，也不是修修改改就可以补救的。

前面已谈到，大质量星球在强大引力的作用下，出现了星球的引力塌缩，致使天文尺度的星核越缩越小，而密度也当然越来越高。这样，反过来使其自身的引力越来越强，故最终塌缩成一点。这不是很合理吗?但摩吐拉等说：不。当物质运动处于微观空间时，就会引起强烈的量子效应，使得时空变成一种新的奇异状态，这将导致形成一种全新的天体。

这种变化只是一种相变，就像液态水变成固态水。他们相信在星核塌缩时的极端条件下，时空进行了一次量子型的相变。其实这并非是他们的臆想，我们已在实验室内看到了这一现象。2001年的诺贝尔物理奖，就授予了在实验室中形成这种状态的人。一块原子云转变成一个巨大的“超级原子”，此称玻色——爱因斯坦凝聚(BEC)。普通情况下的一团原子，其各原子的状态都不一样，就如街上的行人，他们的步伐、面向、姿态都不相同。但在接近绝对零度的一个瞬间，一团原子的状态突然一致，有如一个特大的超级原子。

当视界刚形成于塌缩星的周围时，巨大的引力场使得时空中的量子起伏变得异常强烈，并激发时空产生根本变化。这一过程十分类似BEC的形成，从而创造了一个凝聚泡，这个泡的壁(即壳层)是由引力能组成的，而壳层内的时空具有一种奇异特性，即它有一种向外施加压力的性质。

摩吐拉和麦查称，墓星比黑洞有更多的优点：首先，墓星也是一个爱因斯坦方程的稳定解；第二墓星不像黑洞那样，它没有数学上的麻烦，这里没有不讲理的奇点；第三，墓星的熵要比其母星(即原塌缩星)低得多，从而不存在折磨黑洞的高熵。

例如，一个具有50个太阳质量的天体，若按黑洞理论说，此黑洞的半径约为150千米(即奇点至视界的距离)，而墓星的直径也为300千米(即星壳的直径)，壳层的厚度仅为10－35米，一茶匙的壳层物质可达1亿吨。墓星极冷，仅为绝对零度之上1℃。对科幻谜来说，墓星比黑洞还要冷酷：当你被黑洞吸去时，你能穿越视界，且不会感到碰上了什么，此后你越来越快地向奇点奔去，在近奇点处被撕得粉碎；而墓星更是不客气，它完全拒人于大门之外，当你飞向墓星时，一碰上壳层，不是被撕碎而是完全消失，变成了纯引力能。

墓星理论还可解释一些迄今无法解释的天文现象。例如γ射线暴，这是电磁辐射线中能量最高的一种。人们不知它出于何种原因，有些人把它诉诸于黑洞的形成，可是黑洞形成时需要聚集足够的能量，而不是释放能量，只有墓星形成时异常激烈，并将辐射出很大能量，倒适合于对γ射线暴进行解释。

还有一个更大的问题。3年前，来自遥远天体爆炸的信息暗示出，我们的宇宙一直在加速膨胀，而不是像大爆炸论所预言的那样，宇宙的膨胀应慢慢地减速。许多科学家对此颇感惊讶，最后把它归因于“暗能量”，它给空间以外向的压力(即斥力)。摩吐拉说，若把墓星的大小看成跟宇宙的大小相似，那么其内部的真空压力，大致上跟宇宙加速膨胀的压力相匹配，故我们可能生活在一个宇宙性的墓星上，其巨大的壳层抓住了我们的银河系和所有的星系。摩吐拉猜测：“我们可能要接受一个真实的根本看法，即我们和万物皆处在这样一个星体之内。”他还补充说：“这样的看法是成熟的，因为可能的新的宇宙学模型，都包含在对墓星的解释中。”

与此同时，他们正努力去区分黑洞和墓星(恒星级)。它们之间的差别是很微妙的，毕竟在黑洞视界和墓星壳层的外面，都同样暗黑并具有极强的引力场。但墓星也有可能发出极明亮的光，因为落到墓星壳层上的物质将转变成引力能或辐射，而黑洞则是吞食了全部的落入物质或能量。

摩吐拉等说，他们最近找到了一个确认墓星存在的有力证据。2001年10月，一些天文学家报告说看到了一个像是大质量的黑洞，但飞向黑洞的物质，却辐射出强X光，远比理论预言的亮得多。超过的能量大致上相当于100亿个太阳能量的输出，这使理论家们困惑难解。而摩吐拉认为，对如此巨大的额外能量的最好解释，舍墓星而无他。因为当恒星、气体、尘粒纷纷快速落到墓星壳层时，其猛烈程度使它们完全转化成了引力能，并以明亮的X射线显现出来。

墓星概念提出以来，贬褒不一。黑洞问题专家艾伯兰·摩惠兹说，这个概念“非常辉煌”，“它独有和明显的特征，将解释一些高能天体物理现象，如γ射线暴。”而物理学家华特说：“当一个大质量恒星在其灾变性地塌缩中，如何形成墓星，他们没有提出足够的论据。”

麦查和摩吐拉也承认，他们的理论有待改进，墓星壳层的奇异物质的特性，仍处在争议之中。他们希望别的科学家加入到这一研究中来：“我们真的为未来的研究，开辟了一个新方向。”

成冠伦图