浅谈对黑洞的认识

王圣美 陆建萍

1789年，法国著名数学家拉普拉斯提出一个震惊世界的预言，他认为有一种天体，能够吸引包括光线在内的所有物质，看上去像一个黑漆漆的洞，即黑洞。

爱因斯坦的广义相对论公布之后，黑洞问题引起了科学家们的普遍关注。德国天文学家史瓦西利用广义相对论重新对黑洞进行解释，1939年，美国物理学家奥本海默也对黑洞进行研究，肯定了它的存在。

黑洞并不是实实在在的星球，而是一个几乎空空如也的天区。黑洞又是宇宙中物质密度最高的地方，地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大。原来，黑洞中的物质不是平均分布在这个天区的，而是集中在天区的书已。这些物质具有极强的引力，任何物体只能在这个中心外围游弋。一旦不慎越过边界，就会被强大的引力招向中心，最终化为粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一个名副其实的太空魔王。

我们通常认为，黑洞是由恒星燃尽而形成的，比如说，如果太阳变成黑洞的话，必需有以下过程：

我们知道太阳是由氢转化成核能来燃烧的，但终究会燃尽所有能量，这个时候太阳会变成不在发光，不活泼的物质，我们成它为白矮星，白矮星会不断的收缩，密度越来越大，当太阳的直径达到1500米的时候，它就形成了一个黑洞，这个时候它的质量是：每立方厘米200亿吨。当然有学者认为太阳质量的恒星不足以形成黑洞，但是这个理论无法被证.

我们知道引力是由物质产生的，密度越大引力越大，黑洞的引力大到什么程度，当外界物质接近它的区域后，会被迅速吸引，并且完全分解。这个分解过程大约是万分之一秒。

近年来科学家通过哈博望远镜发现越来越多的黑洞，但是研究它是很有难度的，由于人类释放出的咖吗射线和阿尔法射线均无法折回，被人类认为是其光线被完全吸收，所以认为光线无法逃出 ，从而看它不到，即便是用咖吗射线的望远镜拍出来的照片也是一片空白，但是周围的星体把他明显的衬托出来了，这一片看不到的东西就是黑洞。

按组成来划分，黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。但物理黑洞的体积却非常小，它可以缩小到一个奇点。另外还有白洞与之相对。

2005年3月，美国布朗大学物理教授‘霍拉蒂·纳斯塔西在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克海文实验室1998年建造了20世纪全球最大的粒子加速器，将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小，却具备真正黑洞的许多特点。纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子碰撞机，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，产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在纽约布鲁克海文国家实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球，具备天体黑洞的显著特性。比如：火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收，这比所有量子物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。

人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉·昂鲁教授在20世纪80年代提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而，纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收某些其他物质。因此，这被认为是黑洞研究领域的重大突破。

今年上映的美国大片《星际穿越》就是科学与艺术的完美结合，片中超大黑洞卡冈图雅无疑是《星际穿越》中最令人难忘的场景，跟雄伟壮丽、神秘莫测的黑洞比起来，人类的力量似乎微不足道。基普·索恩是当代广义相对论和黑洞物理的顶级大师，他关于黑洞的著作有《黑洞与时间弯曲》。索恩对本片的剧本创作贡献很大，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授亲自写的，他还为片中布兰德教授的理论创造了几个有物理含义的变量。这样的创作实践，不仅仅在电影界，在科学界也是前所未有的。

《星际穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘，具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating）。大家知道，如果这个盘是个整体的话（不同半径角速度相同），那么越到内侧盘的线速度应当越来越小，但实际上在引力作用下，盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动：轨道越低（内侧），线速度反而越大，这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物質是在相互“滑动”的，这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，這些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。索恩经过分析之后认为这就是黑洞应有的样子。索恩说：“以往的电影中从来没有人展现过黑洞和虫洞确切的样子，《星际穿越》做到了，这是人类目前为止得到的最符合物理原理的黑洞景象。”

黑洞这一定义在经过漫长的时间推测后，已经慢慢被人们所接受。然而在2014年1月24日，英国著名科学家斯蒂芬·霍金教授再次以其与黑洞有关的理论震惊物理学界。他在日前发表的一篇论文中承认，黑洞其实是不存在的，不过“灰洞”的确存在。

在其这篇名为《Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes》的论文中，霍金指出，由于找不到黑洞的边界，因此黑洞是不存在的。黑洞的边界又称“视界”。经典黑洞理论认为，黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部，而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。

霍金的最新“灰洞”理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。他在论文中承认，自己最初有关视界的认识是有缺陷的，光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞核心时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。

美国天文学家发现了一个源自127亿年前的黑洞，不过这个黑洞距离地球非常遥远，它是在宇宙大爆炸之后的1亿年形成的。但是令所有科学家迷惑的是，是什么力量让这个宇宙黑洞在这么“短”的时间内就形成了这么大质量的黑洞的？这个宇宙黑洞是目前全世界发现的最古老的，已经有天文科学家把它命名为+了Q0906+6930，它的质量几乎达到了整个银河系下的恒星质量之和，而它的容量几乎可以装下1000个太阳系。这个黑洞仅仅比宇宙晚形成那么几亿年“而已”，像它这样大容量的黑洞，又这么的古老，真的非常罕见。

宇宙黑洞只是一个模糊的概念，它既看不到也摸不到，只能通过X射线和伽马射线来确定它的存在和测量它的体积和质量。但是对于这个宇宙黑洞的数据都是估量值，现在已经有一些天文专家准备利用它周围的天体的X射线和伽玛射线来精确测量它的精确数据。

迄今为止，人类还没有真正捕捉到黑洞，但基本上肯定了它的存在。人们推测，也许一些星团的中心就是黑洞，银河系中心也可能是一个质量巨大的黑洞。除了大黑洞之外，很可能还存在比小行星还要小的黑洞。甚至有人认为，地球本身也存在着黑洞。随着科学的不断发展，总有一天人们会撩开黑洞的神秘面纱。