黑洞浅谈

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黑洞浅谈

　　“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

　　根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

　　等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

　　那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

　　我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

　　质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

　　这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

　　与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

　　在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

　　更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

　　“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

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蛀洞

摘自走进宇宙

　　1985年夏，美国著名科幻作家卡尔·萨根完成了他的新作《接触》。在该作尚未刊出之前，他将原稿送交加利福尼亚理工学院的基普·索恩博士，希望能为科幻小说中的时间旅行寻找一个合理的解释。此时索恩正在指导两名青年作哲学博士论文，索恩即以萨根提出的问题作为试题，带领两位研究生进行探讨，并将其研究成果发表在美国物理学会的《物理评论通讯》上。索恩等认为：从理论上来说，利用他们发现的大尺度蛀洞的新特征，人们不仅可以缩短星际旅行的时间，还可以返回过去。

　　蛀洞作为一种新的概念，提出已经有70多年了。当爱因斯但提出广义相对论之后不久，物理学家就开始对蛀洞发生兴趣。大尺度蛀洞是爱因斯但广义相对论场方程的一个解，它标志着一种空间和时间的几何结构。在这种结构中，宇宙的两个区域是由短而窄的"咽喉状部分"相连接。1916年卡尔·施瓦兹奇尔德解爱因斯但广义相对论场方程得到的施瓦兹奇尔德蛀洞具有动态结构。蛀洞由零半径膨涨到最大半径，然后又收缩回零。这一过程进行得极快，即使以光速运动也无法从一个孔口到达另一孔口。此外，蛀洞有很强的引力，当人们离它还有相当的距离时就会被引力撕成碎块。这样的蛀洞当然不能作为旅行的通道。
　
　　索恩等入构思了可通行蛀洞的几何结构，其咽喉部保持开放，人们通过时只受到适度的加速度和潮汐力。爱因斯坦的场方程表明，任何可通行的蛀洞一定含有某种形式的奇异物质。这种奇异物质具有"负压力"，有点象被拉长的弹簧，现在还没有人知道这种物质是否存在。假如这种物质存在，它与其它物质的相互作用很弱，又不会伤害旅行者，那么可通行的蛀洞就有存在的可能性。索恩从研究爱因斯坦场方程出发，发现了大尺度蛀洞的新特征，为萨根的科幻小说找到了理论解释。如果我们能找到索恩所构想的那种蛀洞，便可以将蛀洞的一个边洞口开在太阳附近，另一边洞口开在天琴座织女星附近，乘火箭沿蛀洞作星际旅行，在短时间内到达距离为25光年的织女星。瞧，科幻小说成了科学研究的先导。当然这一切仅仅是理论的延伸，到目前为止还没有一个人观察到蛀洞。但当人们通过计算预见到海王星的存在时，没有一个人能观察到海王屋，而现在观察海王星不是什么了不起的事情了。　

　 　索恩的研究成果也为萨根科幻小说中时间旅行找到了一个合理的解释。假设蛀洞有A、B两个洞口，使B洞口作加速运动，其速度接近光速，而A洞口保持静止，根据狭义相对论所测预的效应，B洞口的时钟慢于A洞口的时钟。这时乘火箭以接近光速的速度从A洞口向B洞口行进，到达B洞口的时刻比从A洞口出发时提前了。此时立刻通过蛀洞返回，到达出发点A洞口的时刻比离开时还要早。也就是说10点钟时你从A洞口向B洞口以接近光速的速度运动，而到达B洞口时，时间却是9点钟，立刻穿过蛀洞回到A洞口，还不到10点种，这样通过蛀洞就完成了一次逆时而行的旅行。在这里索恩的科学推断与萨根的科学幻想似乎很好地吻合在一起了，然而科学推断与科学幻想之间是有很大的不同。科学幻想可以避开许多难以解决的具体问题，把它留给后人去研究，而科学推断必须面对这些难题，逆时旅行要重新评估自然现象中的因果关系和时间演变的概念。例如，当你在逆时旅行中如果遇见了你出生前的父母，当你试图向他们开枪射击时，就会出现难以解决的问题：如果击中身亡，那么你是如何来到世上？科学家认为必须采取一些基本原理来使自然系统的演变不会自相矛盾，即采用相容性原理来补充因果律。就是说枪不是不发火就是未命中。

　　自从索恩发表了大尺度蛀洞新的特征之后，引起了不少物理学家的关注，一些学者提出了新的假设。也有一些人提出许多疑点，认为蛀洞理论不可能成立，因为它不仅破坏了物理学的大前题--因果律，而且还会动摇许多物理学的定律，至少从目前人类的认识来看，蛀洞的存在还有很大的不确定性。

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