冲出黑洞

许　皓

不论是顶尖的物理学家，还是普通大众，黑洞都是一个令人着迷的话题。那么，这个名为“黑洞”的东西，到底是什么呢？抛开大众加于其上的超自然色彩的幻想，即使是最严肃的科学家，也对此持有不同的见解。那么，我们就来了解一下这方面的知识。

黑洞的由来

1967年，美国物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”(black hole)这个专有名词。霍金对此的评价是：“这真是一项天才之举。”他认为，在科学研究中，取个好名字具有不可低估的重要性。那些原先没有令人满意名字的某种对象，如果能起个响亮而确切的名字会刺激科学研究的进程。而“黑洞”这个名字本身，就具有某种神秘的色彩，更容易满足人们关于科学之谜的某种幻想的欲望，同时，这个名词也为科幻小说家们提供了丰富的想象空间。

但是，普通人所不了解的是，虽然“黑洞”这个词出现得很晚，但是，黑洞这个概念却在两百多年前就有人开始思索了。1783年，一位名叫约翰·米歇尔的英国剑桥人，他写了一篇有关的论文。在文章中，他引用牛顿的万有引力理论说，假设我们在地球表面上向上发射一颗炮弹，在炮弹上升的过程中，其速度会因为地球引力而减慢，最终，炮弹会停止上升而落回到地球上；然而，如果它的初速度大于某个临界值，它将永远不会停止上升并落回地面，它会一直向外运动，最后远离地球，这个临界速度就是我们现在所知道的逃逸速度。

这个剑桥人推论说，也许可能有这样的一颗恒星，它的质量非常大，同时它的半径非常小，这种特性会使得其逃逸速度非常大，这个速度会比光速还大；如果有这种恒星，那么就会发生这样的情况，从这颗恒星表面发出的光会被恒星的引力场拉回去，所以，这颗恒星发出的光不能到达我们这里；因此，我们看不到这颗恒星。法国著名的天文学家和数学家拉普拉斯，也作过同样的预言。

1915年，爱因斯坦创立广义相对论，在更高层面的理论上预言了黑洞。1939年，美国理论物理学家奥本海默和辛德也对黑洞的存在做出了推断。直到1967年，惠勒才正式为黑洞命名，他解释说：“它是黑的，并且看起来像一个洞，所以叫它黑洞。”那么，既然我们看不到黑洞，怎么知道它的存在呢？只能通过它的引力场作用到附近物体上的效应来检测其存在。事实上，现代天文学家们对黑洞的研究，主要是观测黑洞在活动时产生的辐射。

黑洞“无毛”

让我们来看看一个黑洞是怎么诞生的。太空中，一颗具有十倍太阳质量的恒星，在其寿命的末期，当其内部的核能耗尽，恒星就由于自身的引力开始坍缩。随着恒星收缩，表面上的引力场就变得越来越强大，逃逸速度就会增加。当它的半径缩小到三十千米，其逃逸速度就增加到每秒三十万千米，也就是光速。此后，任何从该恒星发出的光都不能逃逸，而只能被引力场拖曳回来。根据狭义相对论，没有东西可能比光速更快。如果光都不能逃逸，那其它东西就更不可能。这就形成了一颗黑洞：这是时空的一个区域，在这个区域内，光也被关“禁闭”了。黑洞的边界叫做事件视界。

正如我们现在大多数人所知，“黑洞”是指一种天体。这种天体看上去黑黝黝的，即使想用光去照亮它也做不到，因为它的质量太大，引力太强，连光都无法逃逸出来，所以休想照亮它。那么，科学家们怎么研究这个黑家伙呢？

现在，关于黑洞最出色的研究成果之一就是“黑洞无毛”定律。这是一种形象的说法，与人们熟知的“毛发”没有任何关系。这项定律是由著名的物理学家霍金和另外两名合作者共同证明的。这个定律表明，由于引力坍缩，而形成一颗黑洞，这颗黑洞会迅速地趋向于一种稳定态，这种稳定态只由三个参数来描述就够了：质量、角动量和电荷。由于黑洞可以用如此简洁的三个物理量来描述，所以，物理学家惠勒戏称之为“黑洞无毛”，反取“毛发”一词的纷繁芜杂之意，意即“黑洞其实很简单”。

根据“黑洞无毛”定律，黑洞确实很简单，所有的黑洞都有质量，根据其电荷与旋转的性质，黑洞被分为史瓦西黑洞、克尔黑洞和克尔-纽曼黑洞等。这些黑洞的存在和结构，是由爱因斯坦场方程的相应解所预言的。

说到这里，该谈谈爱因斯坦对黑洞研究的贡献。其实，我们知道，爱因斯坦去世于1955年，所以，在爱因斯坦活着的时候，还没有“黑洞”这个词。但是，爱因斯坦的相对论是研究黑洞的重要工具。这一点，被霍金充分地意识到了。根据广义相对论，当大质量恒星耗尽其核燃料时将会向自身坍缩。霍金和他的合作者证明了，大质量恒星会继续坍缩直至达到具有无限密度的奇点。至少对于该恒星以及在它上面的一切，这个奇点即是时间的终点。任何通过事件视界掉进黑洞的东西都会在奇点达到其时间的终结。

黑洞并不完全“黑”

谈到“时间的终结”，似乎容易让人联想到世界末日，其实并没有那么可怕。物理学对黑洞的研究，脱离了道德和宗教的范畴，在一定程度上，这种研究只是一种智力游戏。对物理学家霍金来说，黑洞的研究工作给了他很多快乐。

1970年的一个晚上，正当霍金要上床睡觉的时候，他突然对黑洞问题有了灵感。他忽然意识到，他和他的同事彭罗斯所发展的一种数学技巧可以用于黑洞研究。特别是对于黑洞的边界，即事件视界的研究。他们发现，黑洞视界的面积不会随时间减小；而且，当两颗黑洞碰撞并合并成一颗单独的黑洞时，最终黑洞的视界面积比原先两颗黑洞的视界面积的和更大。这就为黑洞碰撞时可能发射的能量立下了一个重要的限制。这个发现令霍金在那个夜晚激动不已，以至于难以入眠。

到1973年，霍金得到了更为令人吃惊的发现：黑洞并不完全“黑”！当时，霍金开始研究量子力学中的测不准原理对于处在黑洞附近弯曲时空的粒子的效应。他发现，测不准原理允许粒子和辐射以稳定的速率从黑洞漏出来。这个结果使几乎所有人，甚至包括他自己都大吃一惊。因为，他从没有想过，黑洞可以如同一个热体一样有辐射行为。这就是有名的“霍金辐射”。

依据另一位物理学家费曼的理论，测不准原理以某种方式允许粒子从黑洞中逃逸出来。对于一颗太阳质量的黑洞来说，粒子必须超光速运动几千米，所以其逃逸的概率非常低。它显示引力坍缩并不像过去以为的那样是死亡的结局，黑洞中粒子的历史不必在一个奇点处终结，相反，它们可以从黑洞中逃逸出来，并且在外面继续它们的历史。量子原理在向人们这样暗示：也许人们可以研究宇宙，到时候，可以避免在时间的起源处有一个开端，也就是说，宇宙也许是无始无终的。当然了，这只是一个猜想，也是个非常困难的问题。因为宇宙的起源问题实在太复杂了，要比黑洞的问题复杂得多。

黑洞的研究展望

黑洞作为最受关注的物理课题之一，对现代物理的影响不可不谓大。弦论是物理学的前沿，在解决黑洞的许多未知之谜中，已经取得了很大成果。黑洞的难题有很多，包括黑洞熵的起源，黑洞的信息丢失等等问题。在弦论中，对黑洞熵的问题，已经有一些很好的思路和办法。但是，距离完全解决这些问题，还有很长的道路要走。

我们知道，科学实验的进展，也会促进理论的研究。对于黑洞而言，实验科学家们正在设计这样的实验，由大型加速器制造“微型黑洞”，对这种黑洞的研究也可以推动物理学的发展。科学家们认为，如果真的能观察到“微型黑洞”，就能给弦论提供明确的验证，这是一种很有希望的检验弦论的方法。当然，可以想象，这种实验的难度是非常大的。

霍金以研究黑洞而闻名于世。有一次，他和另两个物理学家朋友打赌，霍金认为，宇宙中不可能存在裸奇点。结果不到4个月之后，他就发现自己要输：黑洞在经过“霍金辐射”后可能保留一个裸奇点。后来，美国科学家用超级计算机证明，当黑洞坍缩时，在非常特别的条件下，裸奇点在理论上是可以存在的。霍金认输了，给他的朋友们各买了一件T恤衫。但他还是不服气，虽然在非常特别的条件下存在裸奇点，但在一般情况下，它是被禁止的。霍金还在T恤上写道：大自然讨厌裸露！

的确如此，大自然总是不肯轻易地把自己的秘密示人，只有揭开重重幕布，人们才能看到宇宙正在上演的真实戏剧。而黑洞，在这出宇宙大戏中，扮演着重要而神秘的角色。这也是为什么有这么多科学家正在研究黑洞的原因。

【责任编辑】李金

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黑洞探索中的已知和未知

黑洞是广义相对论预言在宇宙中存在的一种特殊天体。它之所以有这种的称谓，是因为所有的外来物质的辐射到达它的“范围”就会被“吞噬”，而且它内部的物质和辐射也都无法跑到外面去，好像一个无比深黑的“洞”。理论的预言尚需科学观测来证实其存在。就像旋涡中心一样，黑洞是看不见的。根据爱因斯坦的广义相对论，我们若能找到黑洞阴影，就可以认为找到了黑洞存在的最终证据。于是，20世纪以来，天文学家倾注了大量精力和兴趣在无垠的宇宙中进行搜寻，到2003年底，科学家认为最可能的候选者约有33个，它们大部分存在于很多星系的核心中。最近报道，在我们银河系的银心中可能存在的黑洞，其质量有300万个太阳的质量。科学家发现的宇宙中最古老的黑洞形成时间在127亿年前，即在形成宇宙的大爆炸之后大约1亿年。它的重量是银河系所有恒星的总和，体积大到装下我们1000个太阳系还有余。

我们为什么要研究黑洞？天文学中很多研究看似和生活毫无干系，但是却能帮助人类更好地了解外部世界。黑洞，是研究宇宙起源的关键问题之一。爱因斯坦的广义相对论是黑洞理论的依据，而霍金又将量子论引入其中，提出了“黑洞不黑”“黑洞既吞又吐”的重要理论。关于黑洞的起源、黑洞是否会消亡，现在都尚无定论。待这一切都揭开面纱后，科学家还能运用其原理为人类造福，如曾有天文学家表示，要制造一个天体物理学意义的超级武器，也有人提出过黑洞计算机的设想。

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黑洞还会“唱歌”

天文学家在去年发现黑洞也会“唱歌”。不过，黑洞发出的天籁之音凡人的耳朵根本无法欣赏。它过于低沉，频率只有人耳所能听到的最低声音的上千万亿分之一，是迄今在宇宙中探测到的最低沉的声音。英国剑桥天文学研究所的一个小组，利用美国宇航局的“钱德拉”X射线太空望远镜，探测到了英仙座星系团中央一个超大质量黑洞所发出的声波。这个星系团距离地球约2.5亿光年。“钱德拉”望远镜共观测到这个黑洞产生的多道声波波纹。天文学家们分析后发现，这些波纹间相隔1000万年的周期。也就是说，该黑洞发出的声波每1000万年振动一周。据此，天文学家们推算出了黑洞“歌声”的音调等特征。?天文学家们说，如果用音乐术语来表述，这个黑洞发出的是降B音。它与钢琴上比键盘中央C音略高的最近一个降B音键的声音音名相同，但音高却低了57个八度，或者说频率只及钢琴发出的降B音的约300万亿分之一。

【责任编辑】蒲晖