神秘的黑洞

   黑洞物理学是用物理方法研究黑洞的形成、结构及其运动规律的一门新兴学科，是天体物理学的一个分支。对黑洞的研究、探讨不论对物理学还是天文学都具有重要意义。

拉普拉斯预言的黑洞
    1798年，法国天文学家皮埃尔·西蒙·马奎·德·拉普拉斯（1749～l827年）提出：
一个密度如地球而直径为太阳550倍的天体，通过引力的吸引作用，可以将全部光线捕获，成为不可见的天体，成为人们看不见的“黑洞”。拉普拉斯的预言，初看好像很“离奇”，其实它是建立在牛顿经典力学基础上的，可以用中学物理知识来加以理解。
    我们知道，要想使飞船脱离地球，那么火箭发射速度必须至少达到==l1.2公里／秒，通常称为“第二宇宙速度”。根据这个道理可以推测：如果一个天体，其质量很大而半径很小，则它的“表面脱离速度”就可达到光速；也就是说，连从它表面发射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它运动物体也都跑不脱。这个天体就是黑洞。
史瓦西预言的黑洞
    广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而是使他们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其附近的光线发生偏转。例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。由于太阳的光太强，人们无法观看太阳附近的情景。1919年，一个英国日全蚀考察队终于观测到太阳附近的引力偏转现象，爱因斯坦因此成了家喻户晓的“明星”。
    爱因斯坦创立广义相对论之后第二年（1916年），德国天文学家卡尔·史瓦西（1873～1916年）通过计算爱因斯坦方程后预言：如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”后来被美国物理学家命名为“黑洞”。
    史瓦西从“爱因斯坦引力方程”求得了类似拉普拉斯的结果，即一个天体的半径达到=（M是天体质量，c是光速）时，连光线也无法逃脱它的引力。还有一些科学家，根据其它近代引力理论也作出了同样的预言。可见存在黑洞的预言是有不少理论根据的。按照这些理论，要使我们的地球成为一个黑洞，就必须把它的半径压缩到只有几毫米！这从人们日常的经验来看，是不可想象的。然而，这种威力无比的“压缩机”在自然界的确存在，这就是天体的“自身引力”。
    天体一般存在“自身的向内引力”和“向外的辐射压力”。如果压力大于引力，天体就膨胀；引力大于压力，天体就收缩（坍缩）；如果二力相等，天体就处于平衡状态。对恒星而言，若质量大于2个太阳，则其引力坍缩的结局最终就形成黑恫。自然界中不但存在形成黑洞的巨大压力，而且任何大质量的天体最终都逃脱不了这种坍缩的结局。
神奇的视界
    经过二三十年比较广泛深入的观测和研究, 目前, 在科学家的心目中, 黑洞到底是一种什么样的天体呢？
    黑洞是一种极为奇特的天体, 它既不像恒星, 更不像行星, 严格来讲它并不是星, 而只是宇宙空间的一个区域．这个区域的表面是一个封闭的球面, 人们称之为视界．黑洞的视界是一个比魔术师手中的魔杖还奇妙的东西．它将黑洞的内部与外部空间完全隔离开来, 外来的辐射和物质可以进入视界之内, 而视界的任何物质都不能跑到视界之外．
    黑洞的视界还有一个很有趣的性质．由於黑洞的强引力作用, 牛顿引力定理在黑洞附近的空间早已不适用, 而根据广义相对论, 强引力场使黑洞附近的时间变慢, 并且离视界越近, 时间变得越慢．如果把一个时钟放在黑洞的视界上, 时钟就会停顿．时间是一种频率的周期性过程, 与时间一样, 其他频率的周期性过程在黑洞附近也会发生频率变慢的问题．频率变慢即波长变长．因此, 天体越靠近黑洞, 它的光谱红移就越大．
    黑洞附近的强引力场不仅使时间变慢, 也使得经过它附近的光线发生严重弯曲．而且引力场越强的地方, 光线弯曲的程度也越厉害．

中心奇点
    黑洞的表面是一个奇妙的视界，那么黑洞的内部又是怎样的情况呢？ 由于黑洞中心的引力无穷大，因此黑洞视界内的物体不能保持静止，也不可能像地球绕太阳旋转一样以稳定的轨道绕黑洞中心转动。任何物体一旦 进入黑洞的视界，都必将以光速向黑洞中心坠落。由于黑洞内部的引力异常 强大，它的起潮力也异常强大。任何进入黑洞视界的物质，都会被无比强大 的起潮力扯得粉碎，从而完全丧失它原来所具有的各种物质属性。这些被粉 碎的物质彼此极为紧密地挤压在一起，成为一个密度无限大而体积为零的 点。人们称这一点为中心奇点。在奇点四周，黑洞视界以内的其他地方则都 是空空荡荡、一无所有。对于外界观测者来说，黑洞是一个统一的整体，它 只有质量、电荷和角动量这三个基本物理量。
这就是根据广义相对论得到的黑洞形象：一个由封闭球面所围成的暗黑 而空虚的空间，它中心的一点密度为无穷大。

洞候选者
    黑洞问题使科学家们兴趣盎然，然而，宇宙空间中真实的黑洞究竟在哪 里呢？时至今日，寻找黑洞的工作也进行了二三十年，黑洞究竟找到了没有 呢？由于黑洞是根本看不见的，所以搜寻黑洞的工作显得极其困难。要寻找 它，只能从它对外界的作用下手。

一个神奇的世界

   经过二三十年比较广泛深入的观测和研究，目前，在科学家的心目中， 黑洞到底是一种什么样的天体呢？
    黑洞是一种极为奇特的天体，它既不像恒星，更不像行星，严格来讲它 并不是星，而只是宇宙空间的一个区域。这个区域的表面是一个封闭的球面， 人们称之为视界。黑洞的视界是一个比魔术师手中的魔杖还奇妙的东西。它 将黑洞的内部与外部空间完全隔离开来，外来的辐射和物质可以进入视界之 内，而视界的任何物质都不能跑到视界之外。
    黑洞的视界还有一个很有趣的性质。由于黑洞的强引力作用，牛顿引力 定理在黑洞附近的空间早已不适用，而根据广义相对论，强引力场使黑洞附 近的时间变慢，并且离视界越近，时间变得越慢。如果把一个时钟放在黑洞 的视界上，时钟就会停顿。时间是一种频率的周期性过程，与时间一样，其 他频率的周期性过程在黑洞附近也会发生频率变慢的问题。频率变慢即波长 变长。因此，天体越靠近黑洞，它的光谱红移就越大。
    黑洞附近的强引力场不仅使时间变慢，也使得经过它附近的光线发生严 重弯曲。而且引力场越强的地方，光线弯曲的程度也越厉害。起初，天文学家们希望，黑洞恰巧是双星系统中的一个成员，在它围绕 着双星系统中另一颗星旋转时，就能将它察觉和找出来。他们在这方面也确 实做了大量的观测和搜寻工作。轰动一时的黑洞候选者——御夫座ε星的伴 星就是通过这样的观测之后提出来的。
    御夫座ε星是交食变星，也是分光双星。它的主星是一颗明亮的超巨星， 肉眼即可看见。当它的伴星通过主星前面把很亮的主星挡住时，整个双星系 统就变得非常暗。而在非交食期间，伴星又完全看不见。这颗看不见的伴星 是一个黑洞吗？只能说有这种可能，因为目前的观测资料还不能排除其他可 能性。
    空间探测技术的发展为黑洞的搜寻工作又开辟了一条新的、有效的途 径。黑洞的强引力场使周围带电物质以巨大的速度沿螺旋形曲线绕黑洞旋 转，并逐渐向黑洞坠落。在这个过程中，这些带电物质就会发射出很强的 X 射线，形成空间中的 X 射线源。因此，对宇宙太空中的 X 射线源的观测，很 可能会帮助人们找到黑洞。但是 X 射线不能穿透地球大气层到达地球表面， 所以需要用火箭、气球或者卫星到大气层以外去观测。
    天文学家通过大量大气外观测工作，发现太空中有许多发出 X 射线的天 体——X 射线源。这些 X 射线源中有一些是双星的一个成员，而这些包含在 双星中的 X 射线源有可能就是黑洞。
在已发现的众多的 X 射线双星中，已经被证实它们的 X 射线大多数是由 中子星发出的，并不是黑洞。只有天鹅座 X—1 被天文学家公认为是目前最有 希望的黑洞候选者。
    天鹅座 X—1 的主星是一颗蓝超巨星，视星等为 9 等，用一架小型天文望 远镜即可看见。天文学家通过对它的观测和分析，发现有大量的气体物质正 源源不断地从这颗蓝超巨星流向它那个光学望远镜看不见的 X 射线伴星。而 且天文学家还计算出这颗伴星的质量远远超过了中子星的质量极限，因此它 很可能就是黑洞。然而，科学家们目前也还不能排除它不是黑洞的可能性。 所以，时至如今，天鹅座 X—1 也还只能是一个黑洞的最佳侯选者。
4．黑洞白洞两兄弟
    黑洞概念已使人们感到非常新鲜，然而在60年代初又由诺维可夫和尼曼等人根据爱因斯坦广义相对论，提出了白洞的概念。白洞是黑洞的相反过程。黑洞是宇宙中的收缩区域，是吞食实物和光的“陷阱”；白洞却是字宙中的膨胀区域，各类高能物质乃至光线从这个源泉涌向字宙。
    科学家们对于黑洞、白洞的研究提出了许多有趣的观点。例如，建立黑洞和白洞连通结构，通过这样的超空间可以不费时地从宇宙的这边跳到那边。黑洞白洞二者的存在并不矛盾，只是过程的两个端点而已。黑洞是物质末期坍缩的终局，白洞是星系物质的伊始，只不过两种过程不是同时的，而是先后交错的。还有人认为，宇宙物质不是单向衰老而消失，而是不断循环转化；黑洞状态虽然是物质坍缩的端点，但是进入黑洞的物质并非被消灭。它们通过黑洞——白洞的连通转化为白洞状态。
5．仍是难解之谜
    黑洞的存在虽然有很多理论根据，科学家们也在千方百计地证实它，但至今尚无定论。当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题。例如，一颗能形成黑洞的冷恒星，它的密度已经超过了原子核本身的密度，这时的原子核可能已被压碎。如果再继续坍缩下去，那么黑洞中的密度会超过核子，核子也可能已被压碎。那么，黑洞中的物质基元是什么呢？另外，有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢？如果没有斥力，那么黑洞将无限地坍缩下去，直到体积无穷小，密度无穷大，内部压力也无穷大，这是物理学理论所不允许的。
    关于白洞的起源至今仍还有两种不同的看法：一种是前面讲的认为白洞由黑洞转化而来，另一种则认为是来自字审大爆炸。
    总之，目前我们对黑洞和白洞的本质的了解还很少，它们还是神秘的东西，很多问题仍需要进一步探讨。
    经过科学家们几十年的努力, 黑洞的理论研究工作有了很大的进展, 黑洞的实际搜寻工作也硕果累累．然而, 围绕着黑洞问题至今仍有许多谜还未解开．
    首先, 黑洞这种天体在现实世界中是否确实存在, 目前还有疑问．尽管由于广义相对论是当今最好的引力理论, 并且它已经经受了许多实验和观测的考验, 因而人们相信它所预言的黑洞是存在的．但是, 由于黑洞理论中还有未解决的难题, 黑洞的搜寻也还缺少十足的证据．因此, 科学家们对黑洞的存在目前并没有百分之百的把握．
    其次, 黑洞理论中尚有一些目前无法解决的难题, 例如黑洞的中心奇点问题．黑洞的中心奇点状态是根据广义相对论得出来的, 显然这种状态是不可能存在的．然而, 黑洞中心不是奇点状态又应该是怎样的一种状态呢? 黑洞中心奇点问题的提出, 说明在黑洞中心附近极为特殊的物理条件下, 广义相对论理论可能已经不再适用, 需要有新的正确的理论来取而代之．当然, 这并非易事, 它吸引着许多科学家跃跃欲试．
    随着时间的推移, 黑洞之谜必将逐步彻底揭开．同时, 黑洞问题的解决也必将会给人类对自然界的认识带来新的飞跃．

原作：甄长荫　

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵　

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