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                                  黑洞

絕對引力

　　最常見的東西往往最易被忽視，即便它對維持正常世界不可或缺，也不免如
此。引力就是最佳例證。若非三百年前有只蘋果掉下來砸在一個偉大的腦袋上，
人類認(rèn)識引力恐怕還要多費些時日。
　　假定有一臺引力調(diào)節(jié)機，撥動其旋鈕就能改變引力的大小，我們就會看到許
多有趣的事。引力接近于0的狀況，經(jīng)?？梢詮碾娨暽峡吹剑汉教祜w機上的宇航員
們，像慢鏡頭似地漂來漂去。假如他們不慎打翻了一杯茶，茶水就會在表面張力
的作用下形成圓形的水滴，在空中跳動。此時引力若恢復(fù)到1g（即地球表面重力
），宇航員就會重重地跌到地板上，隨之而來的還一陣茶雨。
　　宇航員在失重的太空中待久了，回到地面時就會很不適應(yīng)，覺得全身沉重，
走不動路，往往要鍛煉好幾個月才能恢復(fù)。同樣，如果把引力調(diào)節(jié)機的旋鈕調(diào)到
3g或4g，我們這些人也會動彈不得，連移動一只腳也很費力。引力再強的話，大
多數(shù)人都會吃不消的，還是趕快離開為妙。
　　引力達到1000g時，樹木就會被自身重量壓扁；100萬g時，石頭也支撐不住而
粉碎了，一切我們熟悉的東西都不能幸存，只有光線看上去還是直的——就人類
分辨能力而言，基本上還是直的。引力達到10億g時，不可思議的事情發(fā)生了：原
來筆直射向天空的光束出現(xiàn)了明顯的彎曲。
 如果引力繼續(xù)加大，光線就會彎曲得如此厲害，以至于逆轉(zhuǎn)回來射向地面。既然
連光都不能逃脫引力的束縛，其它東西就更休想了。如果這時有誰不慎接近這片
引力范圍，就會陷進來再也出不去。一個具有如此強大引力的天體，將是一個對
任何事物都只吞不吐的魔怪，一個無底的黑洞。

黑暗的邊界

　　黑洞也許是20世紀(jì)最重要的預(yù)言之一，如果編撰一本“百年預(yù)言”，黑洞是
絕對不應(yīng)被遺漏的。然而，很不幸只是預(yù)言而已，算作“百年發(fā)現(xiàn)”有點勉強，
因為我們還沒有找到什么確鑿無疑的證據(jù)表明黑洞確實存在。
　　嚴(yán)格說起來，黑洞的設(shè)想并非在20世紀(jì)才出現(xiàn)。早在1783年，英國英文學(xué)家
約翰·米歇爾就考慮過有這種東西存在。1798年，法國著名的數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家
拉普拉斯提出，根據(jù)萬有引力定律計算，一個直徑比太陽大250倍、密度與地球相
當(dāng)?shù)暮阈?，其引力場將強得足以俘獲它所發(fā)出的所有光線，從而成為暗天體。
　　愛因斯坦提出廣義相對論后，德國天文學(xué)家K·史瓦西于1916年提出了廣義相
對論球?qū)ΨQ引力場的嚴(yán)格解，并在其中提出了黑洞設(shè)想。他認(rèn)為，在高致密天體
或大質(zhì)量天體周圍某一區(qū)域內(nèi)，逃逸速度等于光速，任何物質(zhì)和輻射都不能逸出
。
　　1939年，美國物理學(xué)家奧本海默根據(jù)廣義相對論證明，一顆質(zhì)量足夠大的恒
星（超過太陽質(zhì)量的3.2倍），在自身引力的作用下，將能坍縮到它的引力半徑范
圍內(nèi)，它發(fā)射出的光線或其它粒子，都不能逃出這個范圍。20世紀(jì)60年代，美國
物理學(xué)家惠勒將這種天體命名為黑洞。從此這個名字就叫開了。
黑洞并不是黑的，也不是一個空洞。它是一個實在的天體，如果我們能有特別豁
免權(quán)，能進入黑洞的引力范圍而不被撕碎，就會看到黑洞里面并不黑：逃逸不出
去的光線，在里面四處亂轉(zhuǎn)，把各處都照得亮晃晃的。
　　黑洞的基本定義是，它是一個具有封閉視界的天體，外來的物質(zhì)和輻射能進
入視界以內(nèi)，但視界內(nèi)的任何物質(zhì)都不能跑到外面。這個視界就是黑洞的邊界。
如果能夠在外部從容地觀察，我們就會看到一片有邊界的絕對黑暗，完全像一個
洞。

恒星的末日

　　銀河系中閃爍著約1000億顆恒星的光芒，它們中的每一個都必將面臨末日的
到來。引力是始終存在的，但太陽的熱核反應(yīng)支持著太陽的外層，使悲劇性的重
力坍塌延遲數(shù)十億年到來。當(dāng)氫消耗完之后，氦就繼續(xù)聚變產(chǎn)生碳，碳又聚變成
新的元素。元素越重，產(chǎn)生的能量愈少、消耗愈快，恒星就這樣每況愈下地?fù)]霍
自身的燃料。
 當(dāng)元素都聚變?yōu)殍F的時候，核反應(yīng)就到了極限。鐵原子核是最穩(wěn)定的，要讓它繼
續(xù)聚變，不僅不能產(chǎn)生能量，反而要消耗巨大的能量。這時，恒星的生命也到頭
了。在瀕死之際，恒星將進行一次超新星爆發(fā)，轟轟烈烈地結(jié)束自己的生命。不
過，小質(zhì)量恒星還堅持不到這一階段，在氦開始燃燒的時候，它們就面臨困境，
產(chǎn)生超新星爆發(fā)。
 在爆發(fā)中，大量物質(zhì)被拋向星際，組成新的天體，原來恒星的中心剩下一個致密
的物質(zhì)核。小質(zhì)量恒星留下的是白矮星，它靠從原子核中脫離出來的電子壓力來
支撐，維持著平穩(wěn)存在。大質(zhì)量恒星則留下一顆中子星，它靠中子間的斥力抵消
重力的影響。
 然而，如果中子星的質(zhì)量足夠大，斥力就會抵抗不住重力，從而發(fā)生猛烈坍縮，
目前物理學(xué)家還沒想出有什么辦法能使中子星免于這種命運。于是，引力愈來愈
強，最終，光線彎曲的程度如此嚴(yán)重，以致無法離開這個天體的表面。每一條發(fā)
出的光線，都像我們在地面上向上扔出的石子一樣，都被引力拉了回來。黑洞就
這樣產(chǎn)生了。
　　據(jù)認(rèn)為，具有足夠質(zhì)量的恒星大約占總數(shù)的1/1000，而這些大質(zhì)量星中又只
有1/1000能在超新星爆發(fā)后還會留下足夠的物質(zhì)，最終形成黑洞。然而即使如此
，我們的銀河系里也應(yīng)該存在上百萬個黑洞。如果真是這樣的話，它們在哪里呢
？

尋找黑洞

　　既然黑洞不發(fā)出任何輻射、不拋出任何物質(zhì)，用一般方式直接觀測黑洞當(dāng)然
是不可能的。此外，盡管其引力場對鄰近區(qū)域十分強大，但在星際距離上，其引
力并不比普通恒星更強。所以通過引力觀察它們也不現(xiàn)實。
　　但在某些情況下，黑洞會在一些特殊的條件下存在，因而可能被探測到。假
設(shè)一個黑洞是一個雙星系統(tǒng)的一部分，與其伴星共同繞同一引力中心轉(zhuǎn)動，該伴
星是一顆普通的恒星。如果黑洞與其伴星靠得非常近，那么伴星上的物質(zhì)就會一
點一點被黑洞奪過去，并形成一個環(huán)繞黑洞的物質(zhì)盤，被稱為吸積盤。吸積盤里
的物質(zhì)會沿螺旋軌道落入黑洞，并在進入黑洞的過程中放射出X射線。這些X射線
或許可間接地證明黑洞的存在。
　　1965年，人們在天鵝座探測到一個特別強的X射線源，將它命名為天鵝X-1。
據(jù)推測，它大約距離我們1萬光年。1970年，世界第一顆X射線觀測衛(wèi)星“烏呼魯
”（斯瓦希里語“自由”的意思）升空，它發(fā)現(xiàn)天鵝X-1與其它X射線源不同，它
忽隱忽現(xiàn)，頻率快達每秒1000次，而且射線強度變化沒有規(guī)律。這種不規(guī)律的變
化，正是物理學(xué)家預(yù)料物質(zhì)從吸積盤進入黑洞時將發(fā)生的狀況。
　　人們立即對天鵝X-1進行了仔細的搜尋，在它鄰近的地方發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量約為
太陽30倍的熾熱藍色超巨星。經(jīng)證實，這顆藍星與天鵝X-1互相繞著對方旋轉(zhuǎn)。從
種種跡象來看，天鵝X-1體積非常小，密度遠遠超過中子星，似乎就是我們預(yù)想中
的黑洞。天文學(xué)界并沒有普遍接受這一假設(shè)，但大多數(shù)人相信，天鵝X-1將是第一
個被證認(rèn)的黑洞。此后，天蝎V861、仙后A等星體也被猜想是黑洞，但是并沒有得
到確認(rèn)。
 1999年美國宇航局發(fā)射“錢德拉”X射線望遠鏡，探測到一顆超新星周圍物質(zhì)噴
出的大量X射線，科學(xué)家據(jù)此認(rèn)為，這顆超新星中央存在黑洞。該望遠撞拍攝的另
一張照片，顯示了一個遙遠類星體噴射出的X射線流達20萬光年之遠，其噴射出的
能量可能相當(dāng)于10萬億個太陽釋放能量的總和?？茖W(xué)家認(rèn)為，這樣巨大的能量是
從類星體中央的一個超大規(guī)模黑洞附近發(fā)出的。
 黑洞似乎最可能在恒星最密集和大塊物質(zhì)可能聚集在一起的地方形成。由于球狀
星團、星系核的中心區(qū)域具有這種特點，天文學(xué)家越來越相信，這種星團或星系
的中心存在黑洞。有科學(xué)家認(rèn)定，我們的銀河系中心就有一個巨大的黑洞，其質(zhì)
量相當(dāng)于1億顆恒星，占銀河系總質(zhì)量的1/1000，直徑為太陽的500倍。如果恒星
接近它的速度足夠快，也許會被它一口整個吞掉。

垃圾站與發(fā)電廠

　　沒有一種天體比黑洞更能說明引力的威勢了。關(guān)于黑洞，曾有一個絕妙的假
想實驗：想象有一小球，譬如普通的臺球，從遠處落入黑洞。它鉆入黑洞的視界
后，便會從我們眼前消失，再也找不回來。但是，它在黑洞的結(jié)構(gòu)中會留下曾經(jīng)
存在的一絲痕跡。黑洞吞沒了這個球后，會稍稍變大一點。計算表明，小球?qū)⒅?br>接落入黑洞中心，黑洞增加的質(zhì)量完全等于小球的質(zhì)量，任何能量或質(zhì)量都沒有
損失出去。
　　我們來考慮另外一個實驗。同樣用一個小球，但它不是自由落體式地落向黑
洞，而是系在一根帶子上，緩緩向黑洞沉降。把這根帶子穿過滑輪，連到一個可
使帶子放松的滾筒上。小球落向黑洞時會放出能量，通過與滾筒連在一起的發(fā)電
機的轉(zhuǎn)動，可將能量轉(zhuǎn)化為電能。簡單的計算表明，在理想情況下，小球落入黑
洞，可使發(fā)電機產(chǎn)生的電能，相當(dāng)于小球全部靜止質(zhì)量的能量。一個重100克的臺
球，落入黑洞后可以輸出10億度電，這比恒星的熱核反應(yīng)要強多了。即發(fā)電系統(tǒng)
的效率不高，導(dǎo)致能量損失，這樣輸出的能量仍是可觀的。
 為黑洞命名的物理學(xué)家惠勒曾假想，有那么一個文明世界，由于對能量的需求不
斷增加，人們便放棄了自己的恒星，在一個黑洞附近住下來。每天，這個社會產(chǎn)
生的各種廢物被裝上卡車，并經(jīng)過一條經(jīng)仔細設(shè)計的軌道送入黑洞。這樣，廢物
就一勞永逸地處理掉了。下落的廢物釋放出巨大能量，又可為文明世界提供能源
。因此，這一過程具有徹底銷毀一切垃圾和把它們完全轉(zhuǎn)變成能量兩大優(yōu)點，不
會有環(huán)境污染，也不會有能源危機。
 當(dāng)然，這一圖景是太理想了，只能想想而已。利用物質(zhì)落入黑洞時釋放的引力能
，實際操作起來會有許多困難，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，也肯定不是在可預(yù)見的將來。


時空極限

　　黑洞里面是一種什么情景？如果有一位倒霉的宇航員，在駕駛飛船經(jīng)過某個
黑洞時不慎離它近了些，結(jié)果被引力拉入黑洞，在此過程中他會看到些什么呢？

　　黑洞的邊界并不是一種物質(zhì)存在，那里并沒有一層真正的“隔膜”，就像光
明與黑暗的分界處并沒有隔膜一樣。這位宇航員在落入黑洞的視界時，并不會看
到什么特別與眾不同的情景。他還可以看見外部區(qū)域，因為外面的光線仍能進入
黑洞。然而，我們永遠也見不到他了。
　　當(dāng)宇航員越來越深入黑洞時，引力場變得更強了，而且會使他的身體變形。
徜若他下落時腳在前面，那么雙腳就比頭更接近引力中心，所受的引力更強些。
結(jié)果，他的腳受到的向下拉的力將比頭更厲害，這樣一來他就拉長了。與此同時
，他的雙肩會沿著向中心會聚的方向拉向黑洞中心，也就是肩膀受到向里的擠壓
。這個過程很像做拉面。
　　理論研究表明，在黑洞中心，引力的增強是沒有上限的。因為引力場表現(xiàn)為
時空的彎曲，所以，隨著引力的不斷增強，時空扭曲也就無止境地越來越厲害。
在黑洞中心，將是一個時空的奇點。它代表時間與空間的邊緣，穿過這個邊緣，
正常的時空概念將不復(fù)存在。許多物理學(xué)家深信，這個時空奇點是名副其實的時
空終結(jié)處，與它相遇的任何物質(zhì)都將完全湮滅。如果確實如此，組成宇航員身體
的原子將在1納秒的超級拉面過程中在奇點里化為烏有。
　　如果黑洞質(zhì)量為1000個太陽質(zhì)量（我們銀河系中心的那個黑洞就是這樣），
這位宇航員從視界沒向奇點的過程大概是3分鐘。如果是1個太陽質(zhì)量這樣的小黑
洞，從視界到奇點的旅程只需要幾微秒。
　　雖然對這位宇航員而言，毀滅前的時間只是一瞬，但從遠處看來，黑洞的時
間扭曲使宇航員最后的旅程表現(xiàn)為一種慢動作。當(dāng)宇航員接近視界時，在他附近
的事件發(fā)生的過程對遙遠的觀測者來說似乎變得越來越慢。事實上，他好像經(jīng)經(jīng)
歷無限長的時間才能到達視界。所以，宇航員在這短暫的死亡之疾奔中，經(jīng)歷了
相當(dāng)于外部宇宙無窮無盡的時間。從這個意義上說，黑洞是通往宇宙盡頭的門檻
，是一條宇宙死胡同，代表再也沒有通路的最終實體。
 黑洞是包含了時間盡頭的狹小空間區(qū)域。誰要是對宇宙盡頭感到好奇的話，只要
跳進一個黑洞便可得到親身體驗。