從黑洞到灰洞

李 淼

拉普拉斯的黑洞

其實(shí)，黑洞從愛(ài)因斯坦的彎曲時(shí)空理論一誕生時(shí)，就已經(jīng)在理論上存在了，那是1916年。但黑洞這個(gè)概念真正被提出，并被人們廣泛研究是上世紀(jì)60年代的事，而黑洞被間接觀測(cè)到則是1970年的事。

早在18世紀(jì)末，法國(guó)數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家拉普拉斯就認(rèn)為黑洞是存在的。他推論，如果一顆天體的質(zhì)量足夠大，能夠使它附近的逃逸速度達(dá)到光速，那么光就跑不出來(lái)了，而這個(gè)天體就是顆“黑”的天體。

在愛(ài)因斯坦建立了他的萬(wàn)有引力理論——廣義相對(duì)論之后，很快就有人發(fā)現(xiàn)，拉普拉斯根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力理論推測(cè)的黑洞是存在的。拉普拉斯的黑洞很好理解，我們知道，一個(gè)質(zhì)量導(dǎo)致的萬(wàn)有引力對(duì)應(yīng)一個(gè)逃逸速度，不同點(diǎn)的逃逸速度是不同的。在地球上，我們發(fā)射一枚火箭的逃逸速度是11.2千米/秒。如果我們將地球的質(zhì)量壓縮到一個(gè)更小的球體中，由于萬(wàn)有引力變強(qiáng)，地球表面的逃逸速度也會(huì)增加。拉普拉斯發(fā)現(xiàn)，如果這個(gè)球體的半徑足夠小，其逃逸速度就會(huì)成為光速。由于沒(méi)有任何速度快過(guò)光速，因此所有物體都不可能逃脫這個(gè)球體的吸引，這就是拉普拉斯所說(shuō)的黑洞。

史瓦西的時(shí)空

一位德國(guó)物理學(xué)家、天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑洞是愛(ài)因斯坦理論的一個(gè)自然結(jié)果，這個(gè)人就是史瓦西。他參與了第一次世界大戰(zhàn)，在去世前一年，也就是愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論的幾個(gè)月后，他發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦理論中的第一個(gè)嚴(yán)格解，這個(gè)解代表的彎曲時(shí)空是由一個(gè)中心質(zhì)量造成的。最簡(jiǎn)單的彎曲時(shí)空是一個(gè)彎曲空間加上彎曲時(shí)間。在這個(gè)彎曲時(shí)空中，空間只在沿著中心質(zhì)量的徑向方向上彎曲。為了想象這個(gè)彎曲空間，我們可以用二維空間打比方：將一個(gè)不彎曲的平面想象成一組無(wú)限多個(gè)同心圓，越向外則同心圓的周長(zhǎng)越大。而周長(zhǎng)與半徑的比是一個(gè)常數(shù)，如果這個(gè)常數(shù)小到一定程度，那么平面就會(huì)變成錐面。現(xiàn)在，我們將平面彎曲成這樣：它還是由無(wú)限多個(gè)同心圓組成，但同心圓的周長(zhǎng)與半徑的比不是一個(gè)常數(shù)，而與半徑本身有關(guān)（如下圖所示）。

將上圖中的b圖推廣到三維，同心圓變成同心球，我們就會(huì)得到史瓦西時(shí)空中的彎曲空間。

在史瓦西時(shí)空中，時(shí)間也是彎曲的，這也很好想象。如果我們?cè)谇嫔系拿恳稽c(diǎn)，都放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，比如卡地亞表或更加精準(zhǔn)的原子鐘，那么在這個(gè)彎曲時(shí)空中，越靠近中心的鐘就會(huì)走得越慢。到了一個(gè)固定的邊界，時(shí)鐘會(huì)走得無(wú)限慢。也就是說(shuō)，如果我們站在外面看這個(gè)邊界上的時(shí)鐘，它們的秒針幾乎不動(dòng)。這個(gè)邊界就是著名的黑洞視界，在這個(gè)邊界上，光也無(wú)法逃逸。為什么光無(wú)法逃逸呢？很簡(jiǎn)單，盡管光速很快，但那里的時(shí)間變得太慢了。甚至我們的世界過(guò)了一個(gè)小時(shí)或者一年，而那里的時(shí)間幾乎沒(méi)有變，光在我們看來(lái)，當(dāng)然就沒(méi)有走。

雖然史瓦西發(fā)現(xiàn)了黑洞解，但愛(ài)因斯坦并不相信一個(gè)質(zhì)量可以被壓縮進(jìn)視界，所以黑洞對(duì)他而言并不存在。

有趣的是，史瓦西在16歲之前就寫過(guò)兩篇關(guān)于三體周期運(yùn)動(dòng)的論文。

直到史瓦西在理論上發(fā)現(xiàn)黑洞的50年后，黑洞研究才成為熱門，因?yàn)樘祗w物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑洞會(huì)在宇宙中自然形成。

真實(shí)存在的黑洞

黑洞是真實(shí)存在的，可以說(shuō)宇宙中到處都是黑洞。從質(zhì)量只有幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，到質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量100～10000倍的中型黑洞，再到星系中心的黑洞，其質(zhì)量高達(dá)10萬(wàn)到100億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。天文學(xué)家甚至猜測(cè)，所有星系的中心都是一個(gè)黑洞。

100億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞有多大？有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，黑洞的視界半徑與質(zhì)量成正比。所以，只要我們知道了如太陽(yáng)這么大質(zhì)量黑洞的半徑，就能夠算出所有黑洞的半徑。根據(jù)史瓦西公式，如果我們將太陽(yáng)塞進(jìn)半徑大約為3千米的球體中，黑洞就會(huì)形成。因此，質(zhì)量為100億個(gè)太陽(yáng)的超級(jí)黑洞的半徑就高達(dá)300億千米，光速走這么長(zhǎng)距離也需要大約28個(gè)小時(shí)。當(dāng)然，我們知道，黑洞周圍的空間是彎曲的，光實(shí)際上不可能逃離黑洞。其他黑洞的大小也可以這么計(jì)算：例如地球的質(zhì)量是太陽(yáng)的百萬(wàn)分之三，如果地球變成黑洞，其半徑只有不到1厘米。

其實(shí)，宇宙中不太可能存在質(zhì)量比太陽(yáng)還要小的黑洞，因?yàn)樘祗w物理不允許小質(zhì)量黑洞的形成。恒星在形成黑洞之前需要停止核反應(yīng)，形成白矮星或中子星，當(dāng)恒星的質(zhì)量足夠大，以至于中子之間的排斥力不足以抵抗萬(wàn)有引力時(shí)，黑洞才會(huì)形成。而這樣的黑洞通常不小于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，也就是說(shuō)，宇宙中最小的恒星級(jí)黑洞的半徑不小于10千米。

只有在特殊條件下，更小的黑洞才有可能形成。在宇宙早期，物質(zhì)密度非常大，如果局部的物質(zhì)不均勻，就會(huì)有小質(zhì)量黑洞形成，這些黑洞叫做原初黑洞。一個(gè)質(zhì)量不小于一億噸的黑洞今天還會(huì)存在（因?yàn)榱孔有?yīng)，黑洞會(huì)輻射，使得質(zhì)量變?。?，這種黑洞的半徑比原子核還要小。如果太空伽馬射線望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到極高能的伽馬射線，可能就是由這種小黑洞輻射出來(lái)的。

我們?cè)谶@里就不深入探討黑洞的量子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致黑洞發(fā)光了，這是霍金在1974年發(fā)現(xiàn)的，完全是理論計(jì)算。黑洞量子發(fā)光的光波波長(zhǎng)太長(zhǎng)，和黑洞半徑差不多，所以我們基本上無(wú)法觀測(cè)到天體黑洞所發(fā)的光。大約10年前，在歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)完工之前，曾經(jīng)有人預(yù)測(cè)，如果這臺(tái)機(jī)器能夠產(chǎn)生小黑洞，就會(huì)徹底顛覆我們的時(shí)空觀，因?yàn)樾『诙吹拇嬖诎凳玖巳S空間之外還存在著更高的空間維度。可惜直到今天，并無(wú)小黑洞存在的跡象。

值得懷疑的灰洞

黑洞本身是一種最奇特的天體，它們確實(shí)存在。從另一個(gè)角度來(lái)看，黑洞也許更加重要，這涉及到融合愛(ài)因斯坦的彎曲時(shí)空理論和量子理論。而黑洞正是這兩種理論都能發(fā)揮作用的地方，因此研究黑洞對(duì)統(tǒng)一上世紀(jì)的兩大理論非常重要?？上Ы?jīng)過(guò)40年的研究，物理學(xué)家雖然在一些非現(xiàn)實(shí)的情況下（例如在高維空間中）獲得了些許進(jìn)展，但在真正的時(shí)空——我們的四維時(shí)空中，黑洞所涉及的深刻物理學(xué)問(wèn)題并沒(méi)有得到絲毫解決，物理學(xué)家之間的爭(zhēng)論反而越來(lái)越大。例如最近，美國(guó)的一些物理學(xué)家提出黑洞外圍也許存在一個(gè)“防火墻”，任何掉進(jìn)黑洞的東西在進(jìn)入黑洞之前就會(huì)被防火墻燒成灰。因此，假如一個(gè)勇敢的宇航員企圖進(jìn)入黑洞，等待他的并不是什么黑洞的奇點(diǎn)，而是超級(jí)高溫的防火墻。但是，并不是所有物理學(xué)家都贊同這種觀點(diǎn)。黑洞外圍到底是否存在防火墻？我們還不得而知。我個(gè)人認(rèn)為不存在，但觀點(diǎn)也只是觀點(diǎn)而已。

最近，也就是今年的一月份，霍金又作驚人之語(yǔ)，他說(shuō)真正的黑洞是不存在的。根據(jù)某個(gè)理論，他預(yù)言，黑洞之外并不存在一個(gè)“掉進(jìn)去就出不來(lái)”的球面，只存在一個(gè)灰色地帶，且存在的時(shí)間并不長(zhǎng)，因此黑洞不“黑”。

他的新“理論”的提出是為了解決一個(gè)所謂的黑洞信息丟失問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題我們另文解釋。假如霍金是對(duì)的，那么他的理論確實(shí)可以解決這個(gè)長(zhǎng)期困惑理論物理學(xué)家的很“高級(jí)”的理論問(wèn)題?？墒?，就我看來(lái)，他的理論并沒(méi)有任何計(jì)算支持，通篇文章只是文字，所以非常值得懷疑。

當(dāng)然，不僅我一個(gè)人在懷疑，很多人也在懷疑。因此，灰洞理論作為一個(gè)理論還不成立，更不用說(shuō)在天文學(xué)中去觀測(cè)可能存在的灰洞了。

>>霍金，也許這次是你錯(cuò)了

名詞解釋

人馬座A*：位于銀河系中心的一個(gè)非常光亮及致密的無(wú)線電波源，大約每11分鐘旋轉(zhuǎn)一圈，屬于人馬座A的一部分。人馬座A*很有可能是離我們最近的超重黑洞的所在，因此也被認(rèn)為是研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。

太陽(yáng)質(zhì)量：用于測(cè)量恒星或如星系類大型天體的質(zhì)量單位。它的大小等于太陽(yáng)的總質(zhì)量，大約為1.989×1030千克。

逃逸速度：在星球表面垂直向上射出一物體，若初速度小于某一值，該物體將在上升一段距離后，最終因星球引力產(chǎn)生的加速度下落。若初速度達(dá)到某一值，該物體將完全逃脫星球的引力束縛而飛出該星球。需要使物體恰好逃脫星球引力的這一速度就是逃逸速度。逃逸速度也是天體表面上物體擺脫該天體萬(wàn)有引力的束縛飛向宇宙空間所需的最小速度。

徑向：沿直徑或半徑的直線方向，或垂直于軸的直線方向。