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黑洞是什么

■【黑洞簡(jiǎn)介】

廣義相對(duì)論語言的一種特別致密的暗天體。大質(zhì)量恒星在其演化末期發(fā)生塌縮，其物質(zhì)特別致密，它有一個(gè)稱為“視界”的封閉邊界，黑洞中隱匿著巨大的引力場(chǎng), 因引力場(chǎng)特別強(qiáng)以至于包括光子在內(nèi)的任何物質(zhì)只能進(jìn)去而無法逃脫。形成黑洞的星核質(zhì)量下限約3倍太陽質(zhì)量，當(dāng)然，這是最后的星核質(zhì)量，而不是恒星在主序時(shí) 期的質(zhì)量。除了這種恒星級(jí)黑洞，也有其他來源的黑洞——所謂微型黑洞可能形成于宇宙早期，而所謂超大質(zhì)量黑洞可能存在于星系中央。（參考：《宇宙新視野》）
黑洞不讓任何其邊界以內(nèi)的任何事物被外界看見，這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故。我們無法通過光的反射來觀察它，只能通過受其影響的周圍物體來間接了解黑洞。雖然這么說，但黑洞還是有它的邊界，即＂事件視界（視界）＂．據(jù)猜測(cè)，黑洞是死亡恒星的剩余物，是在特殊的大質(zhì)量超巨星坍塌收縮時(shí)產(chǎn)生的。另外，黑洞必須是一顆質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限的恒星演化到末期而形成的，質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限的恒星是無法形成黑洞的．（有關(guān)參考：《時(shí)間簡(jiǎn)史》——霍金•著）
■物理學(xué)觀點(diǎn)的解釋
黑洞其實(shí)也是個(gè)星球(類似星球),只不過它的密度非常非常大, 靠近它的物體都被它的引力所約束(就好像人在地球上沒有飛走一樣),不管用多大的速度都無法脫離。對(duì)于地球來說，以第二宇宙速度（11.2km/s）來飛行就可以逃離地球，但是對(duì)于黑洞來說，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以連光都跑不出來，于是射進(jìn)去的光沒有反射回來，我們的眼睛就看不到任何東西，只是黑色一片。

北京時(shí)間9月18日消息　據(jù)國外媒體報(bào)道，美國國家航空航天局日前宣布，天文學(xué)家們?cè)诰o鄰銀河系中心的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了數(shù)十顆龐大而且非常明亮的恒星。
這一發(fā)現(xiàn)讓專家們感到萬分驚奇：要知道在銀河系的中央存在著一個(gè)巨型黑洞，此前流行的理論認(rèn)為，在黑洞附近是不可能存在任何天體的。
能夠發(fā)現(xiàn)這些恒星還要感謝美國的“錢德拉”X射線太空望遠(yuǎn)鏡。它們距離銀河系的中心區(qū)域只有95億公里（小于1光年）。要補(bǔ)充的是，地球到銀河系中心黑洞的距離大約為2.6萬光年。
此次發(fā)現(xiàn)的這批恒星的體積大約是太陽的30－50倍，亮度則達(dá)到了后者100倍。天文學(xué)家們認(rèn)為，這些恒星可能會(huì)發(fā)展為超巨星并發(fā)生爆炸。隨后，它們將在自身巨大引力的作用下發(fā)生收縮、塌陷，最終會(huì)演變?yōu)橐蝗盒⌒偷暮诙础?br /> 通常情況下，身處黑洞附近的天體均會(huì)逐漸地被黑洞所吞噬，并最終消失的無影無蹤。從事恒星研究的科學(xué)家們猜測(cè)，此次在銀河系中央黑洞附近發(fā)現(xiàn)的恒星可能形成了一個(gè)獨(dú)特的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中包含有各種天體。
天文學(xué)家們認(rèn)為，巨型黑洞均處于各個(gè)星系的中央部位。
眾所周知，包括恒星在內(nèi)的任何物質(zhì)一旦陷入黑洞的引力場(chǎng)都會(huì)消失的無影無蹤。但是科學(xué)家們新近的這一重大發(fā)現(xiàn)卻表明，圍繞在黑洞周圍一定距離上的盤狀氣態(tài)物質(zhì)也有可能演化為恒星。

【黑洞趣事】　在你閱讀以下關(guān)于黑洞的復(fù)雜科學(xué)知識(shí)以前，先知道兩個(gè)發(fā)生在黑洞周圍的兩個(gè)有趣現(xiàn)象。
■趣事一：變化著的時(shí)間
根據(jù)廣義相對(duì)論，引力越強(qiáng)，時(shí)間越慢。引力越小，時(shí)間越快。我們的地球因?yàn)橘|(zhì)量較小，從一個(gè)地方到另一個(gè)地方，引力變化不大，所以時(shí)間差距也不大。比如說，喜馬拉雅山的頂部和山底只差幾千億之一秒。黑洞因?yàn)橘|(zhì)量巨大，從一個(gè)地方到另一個(gè)地方，引力變化非常巨大，所以時(shí)間差距也巨大。如果喜馬拉亞山處在黑洞周圍，當(dāng)一群登山運(yùn)動(dòng)員從山底出發(fā)，比如說他們所處的時(shí)間是2005年。當(dāng)他們登頂后，他們發(fā)現(xiàn)山頂?shù)臅r(shí)間是2000年。
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【黑洞趣事】中的第一項(xiàng)明顯是與廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相悖的,如果在黑洞附近有一喜瑪拉雅山,登頂?shù)臅r(shí)間是9.326X10的32次方年,而且時(shí)間只能向前,不能倒退.無論是愛因斯坦的廣義相對(duì)論還是其它理論,時(shí)間都是無法倒流的,只能向前,就是說如果有時(shí)間飛船可坐,我們可以到未來任何時(shí)間,比如到公元3000年,但這是單程票,去了就回不來了。
■趣事二：假如銀河系被黑洞吸收
　另外一個(gè)有趣的現(xiàn)象也是根據(jù)廣義相對(duì)論，引力越強(qiáng)，時(shí)間越慢，物體的長度也縮小。假如銀河系被一個(gè)黑洞所吸引，在被吸收的過程中，銀河系會(huì)變成一個(gè)米粒大小的東西。銀河系里的一切東西包括地球都按相同比例縮小。所以在地球上的人看來，銀河系依舊是浩瀚無邊。地球上的人依舊照常上班學(xué)習(xí)，跟他們?cè)谡Ｇ闆r下一樣。因?yàn)樵谒麄兛磥恚車娜撕臀矬w和他們的大小比例關(guān)系不變。他們渾然不知這一切都發(fā)生一個(gè)米粒大的世界里。
但因?yàn)楹诙粗車薮螅魏挝矬w都不能長時(shí)間待留。假如銀河系被一個(gè)黑洞所吸引，地球上的人只有幾秒的時(shí)間去體驗(yàn)第一個(gè)現(xiàn)象．



為了理解黑洞的動(dòng)力學(xué)和理解它們是怎樣使內(nèi)部的所有事物逃不出邊界，我們需要討論廣義相對(duì)論。
■廣義相對(duì)論相關(guān)
廣義相對(duì)論是愛因斯坦創(chuàng)建的引力學(xué)說，適用于行星、恒星，也適用于“黑洞”。愛因斯坦在1916年提出來的這一學(xué)說，說明空間和時(shí)間是怎樣因大質(zhì)量物體的存在而發(fā)生畸變。簡(jiǎn)言之，廣義相對(duì)論說物質(zhì)彎曲了空間，而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運(yùn)動(dòng)。

再讓我們看一看愛因斯坦的模型是怎樣工作的。首先，考慮時(shí)間（空間的三維是長、寬、高）是現(xiàn)實(shí)世界中的第四維（雖然難于在平常的三個(gè)方向之外再畫出一個(gè)方向，但我們可以盡力去想象）。其次，考慮時(shí)空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。

愛因斯坦的學(xué)說認(rèn)為質(zhì)量使時(shí)空彎曲。我們不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景：石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些，雖然彈簧床面基 本上仍舊是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊，則將產(chǎn)生更大的效果，使床面下沉得更多。事實(shí)上，石頭越多，彈簧床面彎曲得越厲 害。

同樣的道理，宇宙中的大質(zhì)量物體會(huì)使宇宙結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣，質(zhì)量比太陽大得多的天體比等于或小于一個(gè)太陽質(zhì)量的天體使空間彎曲得厲害地多。

如果一個(gè)網(wǎng)球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動(dòng)，它將沿直線前進(jìn)。反之，如果它經(jīng)過一個(gè)下凹的地方 ，則它的路徑呈弧形。同理，天體穿行時(shí)空的平坦區(qū)域時(shí)繼續(xù)沿直線前進(jìn)，而那些穿越彎曲區(qū)域的天體將沿彎曲的軌跡前進(jìn)。

現(xiàn)在再來看看黑洞對(duì)于其周圍的時(shí)空區(qū)域的 影響。設(shè)想在彈簧床面上放置一塊質(zhì)量非常大的石頭代表密度極大的黑洞。自然，石頭將大大地影響床面，不僅會(huì)使其表面彎曲下陷，還可能使床面發(fā)生斷裂。類似 的情形同樣可以宇宙出現(xiàn)，若宇宙中存在黑洞，則該處的宇宙結(jié)構(gòu)將被撕裂。這種時(shí)空結(jié)構(gòu)的破裂叫做時(shí)空的奇異性或奇點(diǎn)。

現(xiàn)在我們來看看為什么任何東西都不能從黑洞逃逸出去。正如一個(gè)滾過彈簧床面的網(wǎng)球，會(huì)掉進(jìn)大石頭形成的深洞一樣，一個(gè)經(jīng)過黑洞的物體也會(huì)被其引力陷阱所捕獲。而且，若要挽救運(yùn)氣不佳的物體需要無窮大的能量。

我們已經(jīng)說過，沒有任何能進(jìn)入黑洞而再逃離它的東西。但科學(xué)家認(rèn)為黑洞會(huì)緩慢地釋放其能量。著名的英國物理學(xué)家霍金在1974年證明黑洞有一個(gè)不為零的溫度，有一個(gè)比其周圍環(huán)境要高一些的溫度。依照物理學(xué)原理，一切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量，同樣黑洞也不例外。一個(gè)黑洞會(huì)持續(xù)幾百萬萬億年散發(fā)能量，黑洞釋放能量稱為：“霍金輻射”。黑洞散盡所有能量就會(huì)消失。

處于時(shí)間與空間之間的黑洞，使時(shí)間放慢腳步，使空間變得有彈性，同時(shí)吞進(jìn)所有經(jīng)過它的一切。1969年，美國物理學(xué)家約翰•阿提•惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”。

我們都知道因?yàn)楹诙床荒?a target="_blank" >反射光，所以看不見。在我們的腦海中黑洞可能是遙遠(yuǎn)而又漆黑的。但英國著名物理學(xué)家霍金認(rèn)為黑洞并不如大多數(shù)人想象中那樣黑。通過科學(xué)家的觀測(cè)，黑洞周圍存在輻射， 而且很可能來自于黑洞，也就是說，黑洞可能并沒有想象中那樣黑。霍金指出黑洞的放射性物質(zhì)來源是一種實(shí)粒子，這些粒子在太空中成對(duì)產(chǎn)生，不遵從通常的物理 定律。而且這些粒子發(fā)生碰撞后，有的就會(huì)消失在茫茫太空中。一般說來，可能直到這些粒子消失時(shí)，我們都未曾有機(jī)會(huì)看到它們。

霍金還指出，黑洞產(chǎn)生的同時(shí)，實(shí)粒子就會(huì)相應(yīng)成對(duì)出現(xiàn)。其中一個(gè)實(shí)粒子會(huì)被吸進(jìn)黑洞中，另一個(gè)則會(huì)逃逸，一束逃逸的實(shí)粒子看起來就像光子一樣。對(duì)觀察者而言，看到逃逸的實(shí)粒子就感覺是看到來自黑洞中的射線一樣。

等恒星的半徑小于一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí)，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出，包括光。實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的．


與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無法直接觀察到它，連科學(xué)家都只能對(duì)它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己 隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個(gè)最基本的常識(shí)。可是根據(jù)廣義相對(duì)論，空間會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候， 光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上，由于引力場(chǎng)作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落 入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。所以，我們可以毫不費(fèi)力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的 隱身術(shù)。

更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的側(cè)面、甚至后背！

“黑洞”無疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動(dòng)的天文學(xué)說之一。許多科學(xué)家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。



■劃分一
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
它主要由高速旋轉(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(fù)壓以吞噬物體，從而形成黑洞，詳情 請(qǐng)看“宇宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎(chǔ)，也是星團(tuán)、星系團(tuán)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(dāng)一個(gè)物理黑洞的質(zhì) 量等于或大于一個(gè)星系的質(zhì)量時(shí)，我們稱之為奇點(diǎn)黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。
  物理黑洞
它的比起暗能量黑洞來說體積非常小，它甚至可以縮小到一個(gè)奇點(diǎn)。

■劃分二
   1972年，美國普林斯頓大學(xué)青年研究生貝肯斯坦提出黑洞"無毛定理"：星體坍縮成黑洞后，只剩下質(zhì)量，角動(dòng)量，電荷三個(gè)基本守恒量繼續(xù)起作用。其他一切因素("毛發(fā)")都在進(jìn)入黑洞后消失了。這一定理后來由霍金等四人嚴(yán)格證明。
    由此,根據(jù)黑洞本身的物理特性，可以將黑洞分為以下四類。
(1)不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞。它的時(shí)空結(jié)構(gòu)于1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。
(2)不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞，稱R-N黑洞。時(shí)空結(jié)構(gòu)于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
(3)旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞，稱克爾黑洞。時(shí)空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出。
(4)一般黑洞，稱克爾-紐曼黑洞。時(shí)空結(jié)構(gòu)于1965年由紐曼求出。





黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。目前觀測(cè)到了 輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析 為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。

天體物理學(xué)家用“吸積”這個(gè)詞來描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我 們周圍許多常見的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢(shì)阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎 裂，進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。但是當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展 現(xiàn)出它最為壯觀的一面。  

然而黑洞并不是什么都吸收的,它也往外邊散發(fā)質(zhì)子.

■萎縮直至毀滅
　黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至會(huì)爆炸。當(dāng)英國物理學(xué)家史迪芬•霍金于1974年做此語言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)。

黑洞曾被認(rèn)為是宇宙最終的沉淀所在：沒有什么可以逃出黑洞，它們吞噬了氣體和星體，質(zhì)量增大，因而洞的體積只會(huì)增大。

霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論。 他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場(chǎng)釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量（當(dāng)一個(gè)粒子從黑洞逃逸而沒有償還它借來的能量，黑洞就會(huì)從它的引力場(chǎng)中喪失同樣數(shù)量的能 量，而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的損失）。當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時(shí)，它的溫度會(huì)越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度 和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對(duì)大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計(jì)，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。

■沸騰直至毀滅

所有的黑洞都會(huì)蒸發(fā)，只不過大的黑洞沸騰得較慢，它們的輻射非常微弱，因此另人難以覺察。但是隨著黑洞逐漸變小，這個(gè)過程會(huì)加速，以至最終失控。黑洞萎 縮時(shí)，引力并也會(huì)變陡，產(chǎn)生更多的逃逸粒子，從黑洞中掠奪的能量和質(zhì)量也就越多。黑洞萎縮的越來越快，促使蒸發(fā)的速度變得越來越快，周圍的光環(huán)變得更亮、 更熱，當(dāng)溫度達(dá)到10^15℃時(shí)，黑洞就會(huì)在爆炸中毀滅。
  


  
黑洞沒有具體形狀，你也無法看見它，只能根據(jù)周圍行星的走向來判斷它的存在。也許你會(huì)因?yàn)樗纳衩啬獪y(cè)而嚇的大叫起來，但實(shí)際上根本用不著過分擔(dān)心，雖然它有強(qiáng)大的吸引力但 與此同時(shí)這也是判斷它位置的一個(gè)重要證據(jù)，就算它對(duì)距地球極近的物質(zhì)產(chǎn)生影響時(shí)，我們也還有足夠的時(shí)間挽救，因?yàn)槟菚r(shí)它的“正式邊界”還離我們很遠(yuǎn)。況 且，恒星坍縮后大部分都會(huì)成為中子星或白矮星。但這并不意味著我們就可以放松警惕了（誰知道下一刻被吸入的會(huì)不會(huì)是我們呢？），這也是人類研究它的原因之 一。

恒星,白矮星,中子星,夸克星,黑洞是依次的五個(gè)密度當(dāng)量星體,密度最小的當(dāng)然是恒星,黑洞是物質(zhì)的終極形態(tài),黑洞之后就會(huì)發(fā)生宇宙大爆炸,能量釋放出去后,又進(jìn)入一個(gè)新的循環(huán).


1967年，劍橋的 一位研究生約瑟琳•貝爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出無線電波的規(guī)則脈沖的物體，這對(duì)黑洞的存在的預(yù)言帶來了進(jìn)一步的鼓舞。起初貝爾和她的導(dǎo)師安東尼•赫維許以為，他 們可能和我們星系中的外星文明進(jìn)行了接觸！我的確記得在宣布他們發(fā)現(xiàn)的討論會(huì)上，他們將這四個(gè)最早發(fā)現(xiàn)的源稱為LGM1－4，LGM表示“小綠人 ”（“Little Green Man”）的意思。然而，最終他們和所有其他人都得到了不太浪漫的結(jié)論，這些被稱為脈沖星的物體，事實(shí)上是旋轉(zhuǎn)的中子星，這些中子星由于它們的磁場(chǎng)和周圍 物質(zhì)復(fù)雜的相互作用，而發(fā)出無線電波的脈沖。這對(duì)于寫空間探險(xiǎn)的作者而言是個(gè)壞消息，但對(duì)于我們這些當(dāng)時(shí)相信黑洞的少數(shù)人來說，是非常大的希望——這是第 一個(gè)中子星存在的證據(jù)。中子星的半徑大約10英里，只是恒星變成黑洞的臨界半徑的幾倍。如果一顆恒星能坍縮到這么小的尺度，預(yù)料其他恒星會(huì)坍縮到更小的尺 度而成為黑洞，就是理所當(dāng)然的了。

在黑洞這個(gè)概念剛被提出的時(shí)候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動(dòng)說。我們現(xiàn)在知道，實(shí)際上這兩者都是正確的。由于量子力 學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動(dòng)說中，不清楚光對(duì)引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、 火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運(yùn)動(dòng)，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關(guān)于光速度有限的發(fā)現(xiàn)表明引力對(duì)之可有重要效應(yīng)。

1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰•米歇爾在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章。他指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會(huì)有如 此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光，還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會(huì)被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然 會(huì)由于從它們那里發(fā)出的光不會(huì)到達(dá)我們這兒而使我們不能看到它們，但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔谩＿@正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體。它是名符其實(shí) 的——在空間中的黑的空洞。幾年之后，法國科學(xué)家拉普拉斯侯 爵顯然獨(dú)自提出和米歇爾類似的觀念。非常有趣的是，拉普拉斯只將此觀點(diǎn)納入他的《世界系統(tǒng)》一書的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪去，可能他認(rèn) 為這是一個(gè)愚蠢的觀念。（此外，光的微粒說在19世紀(jì)變得不時(shí)髦了；似乎一切都可以以波動(dòng)理論來解釋，而按照波動(dòng)理論，不清楚光究竟是否受到引力的影 響。）

事實(shí)上，因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ模裕谂ｎD引力論中將光類似炮彈那樣處理實(shí)在很不協(xié)調(diào)。（從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速，最后停止上升并折回地面；然而，一個(gè)光子必須以不變的速度繼續(xù)向上，那么牛頓引力對(duì)于光如何發(fā)生影響呢？）直到1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論之前，一直沒有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)的理論。甚至又過了很長時(shí)間，這個(gè)理論對(duì)大質(zhì)量恒星的含意才被理解。


1928年，一位印度研究生——薩拉瑪尼安•強(qiáng)德拉塞卡——乘船來英國劍橋跟英國天文學(xué)家阿瑟•愛丁頓爵士（一位廣義相對(duì)論家）學(xué)習(xí)。（據(jù)記載，在本世紀(jì)20年代初有一位記者告訴愛丁頓，說他聽說世界上只有三個(gè)人能理解廣義相對(duì)論，愛丁頓停了一下，然后回答：“我正在想這第三個(gè)人是誰”。）在他從印度來英的旅途中，強(qiáng)德拉塞卡算 出在耗盡所有燃料之后，多大的恒星可以繼續(xù)對(duì)抗自己的引力而維持自己。這個(gè)思想是說：當(dāng)恒星變小時(shí)，物質(zhì)粒子靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它們必須 有非常不同的速度。這使得它們互相散開并企圖使恒星膨脹。一顆恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力達(dá)到平衡而保持其半徑不變，正如在它的生命的早期 引力被熱所平衡一樣。

然而，強(qiáng)德拉塞卡意識(shí)到，不相容原理所能提供的排斥力有一個(gè)極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對(duì)論限制為光速。這意味著，恒星變得足夠緊致之時(shí)，由不 相容原理引起的排斥力就會(huì)比引力的作用小。強(qiáng)德拉塞卡計(jì)算出；一個(gè)大約為太陽質(zhì)量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（這質(zhì)量現(xiàn)在稱為強(qiáng)德拉 塞卡極限。）蘇聯(lián)科學(xué)家列夫•達(dá)維多維奇•蘭道幾乎在同時(shí)也得到了類似的發(fā)現(xiàn)。

這對(duì)大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大的意義。如果一顆恒星的質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限小，它最后會(huì)停止收縮并終于變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質(zhì)中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。我們觀察到大量這樣的白矮星。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恒星——天狼星轉(zhuǎn)動(dòng)的那一顆。

蘭道指 出，對(duì)于恒星還存在另一可能的終態(tài)。其極限質(zhì)量大約也為太陽質(zhì)量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質(zhì)子之間，而不是電子 之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預(yù)言時(shí)，并沒有任何方法去 觀察它。實(shí)際上，很久以后它們才被觀察到。

另一方面，質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的問題：在某種情形下，它們會(huì)爆炸或拋出足夠的物質(zhì)，使自己的質(zhì)量減少到極限 之下，以避免災(zāi)難性的引力坍縮。但是很難令人相信，不管恒星有多大，這總會(huì)發(fā)生。怎么知道它必須損失重量呢？即使每個(gè)恒星都設(shè)法失去足夠多的重量以避免坍 縮，如果你把更多的質(zhì)量加在白矮星或中子星上，使之超過極限將會(huì)發(fā)生什么？它會(huì)坍縮到無限密度嗎？愛丁頓為此感到震驚，他拒絕相信強(qiáng)德拉塞卡的結(jié)果。愛丁 頓認(rèn)為，一顆恒星不可能坍縮成一點(diǎn)。這是大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會(huì)收縮為零。其他科學(xué)家，尤其是他以前的老師、 恒星結(jié)構(gòu)的主要權(quán)威——愛丁頓的敵意使強(qiáng)德拉塞卡拋棄了這方面的工作，轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團(tuán)運(yùn)動(dòng)等其他天文學(xué)問題。然而，他獲得1983年諾貝爾獎(jiǎng)，至少部 分原因在于他早年所做的關(guān)于冷恒星的質(zhì)量極限的工作。

強(qiáng)德拉塞卡指出，不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于強(qiáng)德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮。但是，根據(jù)廣義相對(duì)論，這樣的恒星會(huì)發(fā)生什么情況呢？這個(gè)問題被一位年輕 的美國人羅伯特•奧本海默于1939年首次解決。然而，他所獲得的結(jié)果表明，用當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡去觀察不會(huì)再有任何結(jié)果。以后，因第二次世界大戰(zhàn)的干擾，奧本 海默本人非常密切地卷入到原子彈計(jì)劃中去。戰(zhàn)后，由于大部分科學(xué)家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。

現(xiàn)在，我們從奧本海默的工作中得到一幅這樣的圖象：恒星的引力場(chǎng)改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光錐是表示光線從其頂端發(fā)出 后在空間——時(shí)間里傳播的軌道。光錐在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折，在日食時(shí)觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星收縮時(shí)，其表面的引力 場(chǎng)變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得更多，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對(duì)于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑 時(shí)，表面的引力場(chǎng)變得如此之強(qiáng)，使得光錐向內(nèi)偏折得這么多，以至于光線再也逃逸不出去 。根據(jù)相對(duì)論，沒有東西會(huì)走得比光還快。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會(huì)被引力拉回去。也就是說，存在一個(gè)事件的集合或空間——時(shí) 間區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。現(xiàn)在我們將這區(qū)域稱作黑洞，將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相 重合。

當(dāng)你觀察一個(gè)恒星坍縮并形成黑洞時(shí)，為了理解你所看到的情況，切記在相對(duì)論中沒有絕對(duì)時(shí)間。每個(gè)觀測(cè)者都有自己的時(shí)間測(cè)量。由于恒星的引力場(chǎng)，在恒星上 某人的時(shí)間將和在遠(yuǎn)處某人的時(shí)間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恒星一起向內(nèi)坍縮，按照他的表，每一秒鐘發(fā)一信號(hào)到一個(gè)繞著該恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的空間飛 船上去。在他的表的某一時(shí)刻，譬如11點(diǎn)鐘，恒星剛好收縮到它的臨界半徑，此時(shí)引力場(chǎng)強(qiáng)到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去，他的信號(hào)再也不能傳到空間飛船了。當(dāng) 11點(diǎn)到達(dá)時(shí)，他在空間飛船中的伙伴發(fā)現(xiàn)，航天員發(fā)來的一串信號(hào)的時(shí)間間隔越變?cè)介L。但是這個(gè)效應(yīng)在10點(diǎn)59分59秒之前是非常微小的。在收到10點(diǎn) 59分58秒和10點(diǎn)59分59秒發(fā)出的兩個(gè)信號(hào)之間，他們只需等待比一秒鐘稍長一點(diǎn)的時(shí)間，然而他們必須為11點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)等待無限長的時(shí)間。按照航天 員的手表，光波是在10點(diǎn)59分59秒和11點(diǎn)之間由恒星表面發(fā)出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長的時(shí)間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時(shí) 間間隔變得越來越長，所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡，最后，該恒星變得如此之朦朧，以至于從空間飛船上再也看不見它，所余下的只是空間中的一個(gè)黑 洞。然而，此恒星繼續(xù)以同樣的引力作用到空間飛船上，使飛船繼續(xù)繞著所形成的黑洞旋轉(zhuǎn)。

但是由于以下的問題， 使得上述情景不是完全現(xiàn)實(shí)的。你離開恒星越遠(yuǎn)則引力越弱，所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事 件視界之前，這力的差就已經(jīng)將我們的航天員拉成意大利面條那樣，甚至將他撕裂！然而，我們相信，在宇宙中存在質(zhì)量大得多的天體，譬如星系的中心區(qū)域，它們 遭受到引力坍縮而產(chǎn)生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會(huì)被撕開。事實(shí)上，當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時(shí)，不會(huì)有任何異樣的感覺，甚至在通過永不 回返的那一點(diǎn)時(shí)，都沒注意到。但是，隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮，只要在幾個(gè)鐘頭之內(nèi)，作用到他頭上和腳上的引力之差會(huì)變得如此之大，以至于再將其撕裂。

羅杰•彭羅斯和我在1965年和1970年之間的研究指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時(shí)間曲率的奇點(diǎn)。這和時(shí)間開端時(shí)的大 爆炸相當(dāng)類似，只不過它是一個(gè)坍縮物體和航天員的時(shí)間終點(diǎn)而已。在此奇點(diǎn)，科學(xué)定律和我們預(yù)言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不 會(huì)受到可預(yù)見性失效的影響，因?yàn)閺钠纥c(diǎn)出發(fā)的不管是光還是任何其他信號(hào)都不能到達(dá)他那兒。這令人驚奇的事實(shí)導(dǎo)致羅杰•彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督猜測(cè)，它可以被 意譯為：“上帝憎惡裸奇點(diǎn)。”換言之，由引力坍縮所產(chǎn)生的奇點(diǎn)只能發(fā)生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴(yán)格地講，這是 所謂弱的宇宙監(jiān)督猜測(cè)：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發(fā)生在奇點(diǎn)處的可預(yù)見性失效的影響，但它對(duì)那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。

廣義相對(duì)論方程存在一些解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點(diǎn)。他也許能避免撞到奇點(diǎn)上去，而穿過一個(gè)“蟲洞” 來到宇宙的另一區(qū)域。看來這給空間——時(shí)間內(nèi)的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常不穩(wěn)定的；最小的干擾，譬如一個(gè)航天員的存 在就會(huì)使之改變，以至于他還沒能看到此奇點(diǎn)，就撞上去而結(jié)束了他的時(shí)間。換言之，奇點(diǎn)總是發(fā)生在他的將來，而從不會(huì)在過去。強(qiáng)的宇宙監(jiān)督猜測(cè)是說，在一個(gè) 現(xiàn)實(shí)的解里，奇點(diǎn)總是或者整個(gè)存在于將來（如引力坍縮的奇點(diǎn)），或者整個(gè)存在于過去（如大爆炸）。因?yàn)樵诮咏闫纥c(diǎn)處可能旅行到過去，所以宇宙監(jiān)督猜測(cè)的 某種形式的成立是大有希望的。這對(duì)科學(xué)幻想作家而言是不錯(cuò)的，它表明沒有任何一個(gè)人的生命曾經(jīng)平安無事：有人可以回到過去，在你投胎之前殺死你的父親或母 親！

事件視界，也就是空間——時(shí)間中不可逃逸區(qū)域的邊界，正如同圍繞著黑洞的單向膜：物體，譬如不謹(jǐn)慎的航天員，能通過事件視界落到黑洞里去，但是沒有任何 東西可以通過事件視界而逃離黑洞。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時(shí)問軌道，沒有任何東西可以比光運(yùn)動(dòng)得更快。）人們可以將詩人但丁針對(duì)地獄 入口所說的話恰到好處地用于事件視界：“從這兒進(jìn)去的人必須拋棄一切希望。”任何東西或任何人一旦進(jìn)入事件視界，就會(huì)很快地到達(dá)無限致密的區(qū)域和時(shí)間的終 點(diǎn)。

廣義相對(duì)論預(yù)言，運(yùn)動(dòng)的重物會(huì)導(dǎo)致引力波的輻射，那是以光的速度傳播的空間——時(shí)間曲率的漣漪。引力波和電磁場(chǎng)的漣漪光波相類似，但是要探測(cè)到它則困難 得多。就像光一樣，它帶走了發(fā)射它們的物體的能量。因?yàn)槿魏芜\(yùn)動(dòng)中的能量都會(huì)被引力波的輻射所帶走，所以可以預(yù)料，一個(gè)大質(zhì)量物體的系統(tǒng)最終會(huì)趨向于一種 不變的狀態(tài)。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當(dāng)類似，起先翻上翻下折騰了好一陣，但是當(dāng)漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來。）例如，繞著太陽公轉(zhuǎn)的地 球即產(chǎn)生引力波。其能量損失的效應(yīng)將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太陽，最后撞到太陽上，以這種方式歸于最終不變的狀態(tài)。在地球和太陽的情形下能量 損失率非常小——大約只能點(diǎn)燃一個(gè)小電熱器， 這意味著要用大約1干億億億年地球才會(huì)和太陽相撞，沒有必要立即去為之擔(dān)憂！地球軌道改變的過程極其緩慢，以至于根本觀測(cè)不到。但幾年以前，在稱為 PSR1913＋16（PSR表示“脈沖星”，一種特別的發(fā)射出無線電波規(guī)則脈沖的中子星）的系統(tǒng)中觀測(cè)到這一效應(yīng)。此系統(tǒng)包含兩個(gè)互相圍繞著運(yùn)動(dòng)的中子星，由于引力波輻射，它們的能量損失，使之相互以螺旋線軌道靠近。

在恒星引力坍縮形成黑洞時(shí)，運(yùn)動(dòng)會(huì) 更快得多，這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時(shí)間就會(huì)達(dá)到不變的狀態(tài)。這最終的狀態(tài)將會(huì)是怎樣的呢？人們會(huì)以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所 有的復(fù)雜特征——不僅僅它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內(nèi)氣體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端，一 般來講，對(duì)之作任何預(yù)言都將是非常困難的。

然而，加拿大科學(xué)家外奈•伊斯雷爾（他生于柏林，在南非長大，在愛爾蘭得到博士）在1967年使黑洞研究發(fā)生了徹底的改變。他指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，非 旋轉(zhuǎn)的黑洞必須是非常簡(jiǎn)單、完美的球形；其大小只依賴于它們的質(zhì)量，并且任何兩個(gè)這樣的同質(zhì)量的黑洞必須是等同的。事實(shí)上，它們可以用愛因斯坦的特解來描 述，這個(gè)解是在廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)后不久的1917年卡爾•施瓦茲席爾德找到的。一開始，許多人（其中包括伊斯雷爾自己）認(rèn)為，既然黑洞必須是完美的球形，一 個(gè)黑洞只能由一個(gè)完美球形物體坍縮而形成。所以，任何實(shí)際的恒星——從來都不是完美的球形——只會(huì)坍縮形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。


然而，對(duì)于伊斯雷爾的結(jié)果，一些人，特別是羅杰•彭羅斯和約翰•惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道，牽涉恒星坍縮的快速運(yùn)動(dòng)表明，其釋放出來的引力波 使之越來越近于球形，到它終于靜態(tài)時(shí)，就變成準(zhǔn)確的球形。按照這種觀點(diǎn)，任何非旋轉(zhuǎn)恒星，不管其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，在引力坍縮之后都將終結(jié)于一個(gè)完 美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質(zhì)量。這種觀點(diǎn)得到進(jìn)一步的計(jì)算支持，并且很快就為大家所接受。

伊斯雷爾的結(jié)果只處理了由非旋轉(zhuǎn)物體形成的黑洞。1963年，新西蘭人 羅伊•克爾找到了廣義相對(duì)論方程的描述旋轉(zhuǎn)黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恒常速度旋轉(zhuǎn)，其大小與形狀只依賴于它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的速度。如果旋轉(zhuǎn)為零， 黑洞就是完美的球形，這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉(zhuǎn)，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太陽由于旋轉(zhuǎn)而鼓出去一樣），而旋轉(zhuǎn)得越快則鼓得越 多。由此人們猜測(cè)，如將伊斯雷爾的結(jié)果推廣到包括旋轉(zhuǎn)體的情形，則任何旋轉(zhuǎn)物體坍縮形成黑洞后，將最后終結(jié)于由克爾解描述的一個(gè)靜態(tài)。

黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測(cè)到的證據(jù)證明其理論是正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā)展到非常詳盡的地步。的確，這經(jīng)常是反對(duì)黑洞 的主要論據(jù)：你怎么能相信一個(gè)其依據(jù)只是基于令人懷疑的廣義相對(duì)論的計(jì)算的對(duì)象呢？然而，1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文臺(tái)的天文學(xué)家馬丁•施密特測(cè) 量了在稱為3C273（即是劍橋射電源編目第三類的273號(hào)）射電源方向的一個(gè)黯淡的類星體的紅移。他發(fā)現(xiàn)引力場(chǎng)不可能引起這么大的紅移——如果它是引力 紅移，這類星體必須具有如此大的質(zhì)量，并離我們?nèi)绱酥灾劣跁?huì)干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進(jìn)而表明此物體離我們非常 遠(yuǎn)。由于在這么遠(yuǎn)的距離還能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們會(huì)想到，產(chǎn)生這么大量能量的唯一機(jī)制看來不僅僅是一個(gè)恒星，而是一 個(gè)星系的整個(gè)中心區(qū)域的引力坍縮。人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。但是它們都離開我們太遠(yuǎn)了，所以對(duì)之進(jìn)行觀察太困難，以至于不能給黑洞提供結(jié)論性的證據(jù)。




按照黑洞定義，它不能發(fā)出光，我們何以希望能檢測(cè)到它呢？這有點(diǎn)像在煤庫里找黑貓。慶幸的是，有一種辦法。正如約翰•米歇爾在他1783年的先驅(qū)性論文 中指出的，黑洞仍然將它的引力作用到它周圍的物體上。天文學(xué)家觀測(cè)了許多系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而互相圍繞著運(yùn)動(dòng)。他們還看 到了，其中只有一顆可見的恒星繞著另一顆看不見的伴星運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。人們當(dāng)然不能立即得出結(jié)論說，這伴星即為黑洞——它可能僅僅是一顆太暗以至于看不見的恒 星而已。

還有其他不用黑洞來解釋天鵝X－1的模型，但所有這些都相當(dāng)牽強(qiáng)附會(huì)。黑洞看來是對(duì)這一觀測(cè)的僅有的真正自然的解釋。盡管如此，我和加州理工學(xué)院的基帕•索恩打賭說，天鵝X－1不包含一個(gè)黑洞！這對(duì)我而言是一個(gè)保險(xiǎn)的形式。我對(duì)黑洞作了許多研究，如果發(fā)現(xiàn)黑洞不存在，則這一切都成為徒勞。但在這種情形下，我將得到贏得打賭的安慰，他要給我4年的雜志《私人眼睛》。如果黑洞確實(shí)存在，基帕•索思將得到1年的《閣樓》 。我們?cè)?975年打賭時(shí)，大家80％斷定，天鵝座是一黑洞。迄今，我可以講大約95％是肯定的，但輸贏最終尚未見分曉。

現(xiàn)在，在我們的星系中和鄰近兩個(gè)名叫麥哲倫星云的 星系中，還有幾個(gè)類似天鵝X－1的黑洞的證據(jù)。然而，幾乎可以肯定，黑洞的數(shù)量比這多得太多了！在宇宙的漫長歷史中，很多恒星應(yīng)該已經(jīng)燒盡了它們的核燃料 并坍縮了。黑洞的數(shù)目甚至比可見恒星的數(shù)目要大得相當(dāng)多。 單就我們的星系中，大約總共有1千億顆可見恒星。這樣巨大數(shù)量的黑洞的額外引力就能解釋為何目前我們星系具有如此的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，單是可見恒星的質(zhì)量是不足夠 的。我們還有某些證據(jù)說明，在我們星系的中心有大得多的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的10萬倍。星系中的恒星若十分靠近這個(gè)黑洞時(shí)，作用在它的近端和遠(yuǎn)端上的 引力之差或潮汐力會(huì)將其撕開，它們的遺骸以及其他恒星所拋出的氣體將落到黑洞上去。正如同在天鵝X－1情形那樣，氣體將以螺旋形軌道向里運(yùn)動(dòng)并被加熱， 雖然不如天鵝X－1那種程度會(huì)熱到發(fā)出X射線，但是它可以用來說明星系中心觀測(cè)到的非常緊致的射電和紅外線源。

人們認(rèn)為，在類星體的中心是類似的、但質(zhì)量更大的黑洞，其質(zhì)量大約為太陽的1億倍。 落入此超重的黑洞的物質(zhì)能提供僅有的足夠強(qiáng)大的能源，用以解釋這些物體釋放出的巨大能量。當(dāng)物質(zhì)旋入黑洞，它將使黑洞往同一方向旋轉(zhuǎn)，使黑洞產(chǎn)生一類似地球上的一個(gè)磁場(chǎng)。落入的物質(zhì)會(huì)在黑洞附近產(chǎn)生能量非常高的粒子。該磁場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于將這些粒子聚焦成沿著黑洞旋轉(zhuǎn)軸，也即它的北極和南極方向往外噴射的射流。在許多星系和類星體中確實(shí)觀察到這類射流。

人們還可以考慮存在質(zhì)量比太陽小很多的黑洞的可能性。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限低，所以不能由引力坍縮產(chǎn)生：這樣小質(zhì)量的恒星，甚至在耗盡了自己 的核燃料之后，還能支持自己對(duì)抗引力。只有當(dāng)物質(zhì)由非常巨大的壓力壓縮成極端緊密的狀態(tài)時(shí)，這小質(zhì)量的黑洞才得以形成。一個(gè)巨大的氫彈可提供這樣的條件： 物理學(xué)家約翰•惠勒曾經(jīng)算過，如果將世界海洋里所有的重水制成一個(gè)氫彈，則它可以將中心的物質(zhì)壓縮到產(chǎn)生一個(gè)黑洞。（當(dāng)然，那時(shí)沒有一個(gè)人可能留下來去對(duì) 它進(jìn)行觀察！）更現(xiàn)實(shí)的可能性是，在極早期的宇宙的高溫和高壓條件下會(huì)產(chǎn)生這樣小質(zhì)量的黑洞。因?yàn)橐粋€(gè)比平均值更緊密的小區(qū)域，才能以這樣的方式被壓縮形 成一個(gè)黑洞。所以當(dāng)早期宇宙不是完全光滑的和均勻的情形，這才有可能。但是我們知道，早期宇宙必須存在一些無規(guī)性，否則現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)分布仍然會(huì)是完全 均勻的，而不能結(jié)塊形成恒星和星系。

很清楚，導(dǎo)致形成恒星和星系的無規(guī)性是否導(dǎo)致形成相當(dāng)數(shù)目的“太初” 黑洞，這要依賴于早期宇宙的條件的細(xì)節(jié)。所以如果我們能夠確定現(xiàn)在有多少太初黑洞，我們就能對(duì)宇宙的極早期階段了解很多。質(zhì)量大于10億噸（一座大山的質(zhì) 量）的太初黑洞，可由它對(duì)其他可見物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測(cè)到。然而，正如我們需要在下一章看到的，黑洞根本不是真正黑的，它們像一個(gè)熱體一樣發(fā)光，它 們?cè)叫t發(fā)熱發(fā)光得越厲害。所以看起來荒謬，而事實(shí)上卻是，小的黑洞也許可以比大的黑洞更容易地被探測(cè)到。

黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過 程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星球。但在黑洞情況 下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。任何靠近它 的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去，黑洞就變得像真空吸塵器一樣．
   
    亦可以簡(jiǎn)單理解：通常恒星的最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生裂變、聚變。由于恒星質(zhì)量很大，裂變與聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗 衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于裂變與聚變，氫原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終發(fā)生改變，破裂并組成新的元素——氦元素。接著，氦原子也參與裂變與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成 鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定不能 參與裂變或聚變，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。


跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量20倍的恒星演化而來的。

當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個(gè)值，那么將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。
這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積很小、密度趨向很大。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半 徑），正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。

根據(jù)科學(xué)家計(jì)算,一個(gè)物體要有每秒中七點(diǎn)九公里的速度,就可以不被地球的引力拉回到地面,而在空中饒著地球轉(zhuǎn)圈子了.這個(gè)速度,叫第一宇宙速度.如果要 想完全擺脫地球引力的束縛,到別的行星上去,至少要有11.2km/s的速度,這個(gè)速度,叫第二宇宙速度.也可以叫逃脫速度.這個(gè)結(jié)果是按照地球的質(zhì)量和 半徑的大小算出來的.就是說,一個(gè)物體要從地面上逃脫出去,起碼要有這么大的速度。可是對(duì)于別的天體來說,從它們的表面上逃脫出去所需要的速度就不一定也 是這么大了。一個(gè)天體的質(zhì)量越是大,半徑越是小,要擺脫它的引力就越困難,從它上面逃脫所需要的速度也就越大.

按照這個(gè)道理,我們就可以這樣來想:可能有這么一種天體,它的質(zhì)量很大，而半徑又很小,使得從它上面逃脫的速度達(dá)到了光的速度那么大。也就是說,這個(gè)天 體的引力強(qiáng)極了,連每秒鐘三十萬公里的光都被它的引力拉住，跑不出來了。既然這個(gè)天體的光跑不出來,我們?nèi)徽劸涂床灰娝?所以它就是黑的了。光是宇宙中跑 得最快的，任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度都不可能超過光速.既然光不能從這種天體上跑出來,當(dāng)然任何別的物質(zhì)也就休想跑出來.一切東西只要被吸了進(jìn)去，就不能再出 來，就象掉進(jìn)了無底洞,這樣一種天體，人們就把它叫做黑洞.

我們知道，太陽現(xiàn)在的半徑是七十萬公里。假如它變成一個(gè)黑洞,半徑就的大大縮小.縮到多少?只能有三公里.地球就更可憐了,它現(xiàn)在半徑是六千多公里.假如變成黑洞，半徑就的縮小到只有幾毫米.那里會(huì)有這么大的壓縮機(jī)，能把太陽 地球縮小的這么!這簡(jiǎn)直象<天方夜譚> 里的神話故事,黑洞這東西實(shí)在太離奇古怪了。但是，上面說的這些可不是憑空想象出來的,而是根據(jù)嚴(yán)格的科學(xué)理論的出來的.原來,黑洞也是由晚年的恒星變成 的,象質(zhì)量比較小的恒星,到了晚年，會(huì)變成白矮星；質(zhì)量比較大的會(huì)形成中子星.現(xiàn)在我們?cè)偌右痪?質(zhì)量更大的恒星,到了晚年，最后就會(huì)變成黑洞.所以，總 結(jié)起來說,白矮星 中子星和黑洞,就是晚年恒星的三種變化結(jié)果.

現(xiàn)在,白矮星已經(jīng)找到了，中子星也找到了，黑洞找到?jīng)]有?也應(yīng)該找到的.主要因?yàn)楹诙词呛诘模业剿鼈儗?shí)在是很困難。特別是那些單個(gè)的黑洞，我們現(xiàn)在簡(jiǎn)直毫無辦法。有一種情況下的黑洞比較有希望找到，那就是雙星里的黑洞.
雙星就是兩顆互相饒著轉(zhuǎn)的恒星.雖然我們看不見黑洞，但卻能從那顆看的見的恒星的運(yùn)動(dòng)路線分析出來.這是什么道理呢?因?yàn)?雙星中的每一個(gè)星都是沿著橢圓 形路線運(yùn)動(dòng)的,而單顆的恒星不是這樣運(yùn)動(dòng)。如果我們看到天空中有顆恒星在沿橢圓形路線運(yùn)動(dòng),卻看不到它的'同伴',那就值得仔細(xì)研究了。我們可以把那顆星 走的橢圓的大小，走完一圈用的時(shí)間，都測(cè)量出來.有了這些，就可以算出來那個(gè)看不見的'同伴'的質(zhì)量有多大。如果算出來質(zhì)量很大，超過中子星能有的質(zhì)量， 那就可以進(jìn)一步證明它是個(gè)黑洞了。

在天鵝星座，有一對(duì)雙星，名叫天鵝座X-1.這對(duì)雙星中，一顆是看的見的亮星,另一顆卻看不見.根據(jù)那可亮星的運(yùn)動(dòng)路線.可以算出來它的'同伴'的質(zhì)量 很大,至少有太陽質(zhì)量的五倍.這么大的質(zhì)量是任何中子星都不可能有的.當(dāng)然，除這些以外還有別的證據(jù)。所以,基本上可以肯定，天鵝座X-1中那個(gè)看不見的 天體就是一個(gè)黑洞.這是人類找到的第一個(gè)黑洞。
另外,還發(fā)現(xiàn)有幾對(duì)雙星的特征也跟天鵝座X-1很相似，它們里面也有可能有黑洞。科學(xué)家正對(duì)它們作進(jìn)一步的研究.　“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個(gè)“大黑窟窿”，其實(shí)不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，就連光也不能逃脫出來。




據(jù)最新的研究聲稱，科學(xué)家認(rèn)為黑洞可能是通往其他宇宙的蟲洞。如果這一理論是正確的，將會(huì)有助于解釋例如黑洞信息悖論等量子難題，不過批評(píng)家指出這也會(huì)產(chǎn)生新的問題，例如蟲洞是怎么形成的等等。

黑洞是一種擁有強(qiáng)大引力的物體，任何物體——即便是光——在進(jìn)入其事件邊界之后都不能逃逸出來。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，黑洞可以由任何物質(zhì)形成，只要能夠坍縮到足夠小的空間內(nèi)。

盡管黑洞不能被直接看到，天文學(xué)家還是通過觀察周圍物質(zhì)的環(huán)繞情況，推斷出一些黑洞的位置。

不過來自巴黎Bures- sur-Yvette地區(qū)法國高等科學(xué)研究所(Institut des Hautes Etudes Scientifiques)的物理學(xué)家Thibault Damour和來自德國Bremen國際大學(xué)的Sergey Solodukhin提出一個(gè)新的觀點(diǎn)，即這些所謂的黑洞其實(shí)就是蟲洞。

蟲洞是連接時(shí)空架構(gòu)中兩個(gè)不同地方的彎曲通道。如果你把宇宙想象為一個(gè)二維的紙張，蟲洞就是連接連接這張紙片和另一張紙片的小通道。實(shí)際上這一理論認(rèn)為，蟲洞鏈向的是一個(gè)擁有自己星星、星系等的另一個(gè)宇宙。

引起空間扭曲的小球在我們?nèi)S世界的例子就是黑洞。黑洞事實(shí)上是存在于四維空間的一種現(xiàn)象，或者說，黑洞是連接三維世界與四維空間的通道（當(dāng)然在下絕不是說“如果誰要去四維空間，就請(qǐng)往黑洞走”，那樣只會(huì)“死無全尸”而已^O^）。我們有可能通過對(duì)黑洞的深入研究，找到克服四維空間的辦法，那樣的話，瓦普跳躍飛行就不再是夢(mèng)想了。

現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，黑洞的存在確實(shí)會(huì)令周圍的空間極度扭曲。根據(jù)廣義相對(duì)論，光線在正常的空間里以直線傳播，但當(dāng)空間扭曲時(shí)，光線會(huì)隨著空間扭曲的方 向而扭曲。如果能給一束射進(jìn)黑洞的光線拍照的話，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，光線呈螺旋形指向黑洞中心，因?yàn)楹诙吹木薮筚|(zhì)量已使周圍的空間扭曲得不成形了。

由 于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量÷體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質(zhì)量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑 洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，他的質(zhì)量很大，體積很小。但是問題就產(chǎn)生了，黑洞會(huì)一直存在嗎？答案是錯(cuò)誤的，黑洞也有滅亡的那天，由于黑洞無限 吸引，但是總會(huì)有質(zhì)子逃脫黑洞的束縛，這樣日積月累，黑洞就慢慢的蒸發(fā)，到了最后就成為了白矮星，或者就爆炸，它爆炸所產(chǎn)生的沖擊波足以讓地球毀滅1萬次 以上。科學(xué)家經(jīng)常用天文望遠(yuǎn)鏡觀看黑洞爆炸的畫面。它爆炸所形成的塵埃是形成恒星的必要物質(zhì)，這樣就能初步解決太陽系形成的答案了。


黑洞在網(wǎng)絡(luò)中亦指電子郵件的消息丟失或Usenet公告消失的地方。


新的狀態(tài)的黑洞通過X-射線射線發(fā)現(xiàn)，最后的能量被證實(shí)，但是，在X-射線射線是之前黑洞附近的材料是被吸入的黑洞，通過X-射線望遠(yuǎn)鏡的偵查派出，并且光譜儀的比較，也許確定黑洞大小和活躍程度。 由于未知的起因，這種新的狀態(tài)的黑洞是非常可能的是幾個(gè)輕量級(jí)黑洞聯(lián)合會(huì)成為，這些輕量級(jí)選手的黑洞有百萬個(gè)想法在M82星系，合并城Jiaoda中等黑洞。
  所謂“巨大黑洞”是指質(zhì)量超過太陽100萬倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周圍的物質(zhì)亦應(yīng)當(dāng)像繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星那樣，遵循“開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律”，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心發(fā)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)的氣體。
  根據(jù)開普勒定律， 氣體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)與其圍繞天體的質(zhì)量的平方根成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉(zhuǎn)速度和半徑，就能求出哪個(gè)天體的質(zhì)量，NGC4261旋 轉(zhuǎn)半徑為300光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的20億倍；M84星系旋轉(zhuǎn)半徑為30光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的3億倍；M87星系旋轉(zhuǎn)半徑為15光年以 內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的30億倍。計(jì)算結(jié)果應(yīng)當(dāng)是令人吃驚的！10億倍太陽質(zhì)量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光年的一萬分之一。所以，哈勃太 空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果與黑洞的半徑相比較，還沒有把握住黑洞的外側(cè)。
  1995年，有關(guān)科學(xué)家與美國史密森尼安天文臺(tái)合作，使用超長基線電波干涉儀群觀測(cè)獵犬NGC4258星系的中心區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在NGC4258星系中心僅0.3光年的區(qū)域內(nèi)，就存在相當(dāng)太陽質(zhì)量3600萬倍的質(zhì)量，而且獲得了迄今為止最精確的 旋轉(zhuǎn)速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能幾乎轉(zhuǎn)瞬間便具有了可能性。同年，科學(xué)家們進(jìn)行了對(duì)確認(rèn)巨大黑洞具有決定意義的觀測(cè)，證據(jù)是通過日本的X射線 天文衛(wèi)星觀測(cè)得到的，觀測(cè)對(duì)象是名為“MCG-6-30-15”的一個(gè)活躍星系。觀測(cè)結(jié)果表明，來自這個(gè)星系中心的X射線發(fā)生了“引力紅移”，這是非黑洞 無法解釋的。
  所謂“引力紅移”是在強(qiáng)引力作用下，時(shí)間似乎變慢的可用廣義相對(duì)論解釋的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中光波長變長。這個(gè)現(xiàn)象被確認(rèn)其意義就相當(dāng)于直接觀測(cè)到黑洞。科學(xué)家從此得到了巨大黑洞存在的強(qiáng)有力的證據(jù)，任何星系都存在巨大黑洞。

posted on 2008-05-07 14:52 gembin 閱讀(466) 評(píng)論(0)  編輯  收藏 所屬分類: 天文學(xué)