黑洞永葆宇宙之青春

□ 陳壯叔

黑洞永葆宇宙之青春

□ 陳壯叔

恒星演化

夏日的夜空，繁星點(diǎn)點(diǎn)，有如此眾多。其實，我們看到的僅是一小部分。整個可察宇宙含有1000多億個星系，而一個星系，如我們的銀河系就擁有2000億顆恒星。

萬事萬物皆有始終，理論家說，我們太陽出生于46億年前，大概還能活上50億年，屆時它將平靜地“死”去，而留下顆密實（達(dá)109~1011克/厘米3）的星核，而目前其密度為160克/厘米3）。天文界把這種天體稱為白矮星，表面溫度達(dá)幾十萬度。

天上的星星，肉眼看上去幾乎都是一個小點(diǎn)，其實，有的星球可達(dá)太陽的20倍，甚或100倍。就拿20倍太陽的星球，其死亡（即星球內(nèi)部核燃料燃盡）時又是如何呢？此時，這顆巨星之星核不斷地內(nèi)向聚合，溫度升高到1000億度，而引力還是不停地擠壓。一塊喜馬拉雅山大小的鐵塊，一下被擠壓成一顆沙粒般的東西。原子皆碎裂成電子、質(zhì)子、中子，它們可再化成輕子、夸克、膠子。這樣一直下去，越來越小，越益密實，直到無人知道的程度。

黑洞為何物？

我們用以解釋宇宙運(yùn)行，也是現(xiàn)代科學(xué)的二大支柱，即廣義相對論和量子論，在這里卻無法施展身手。

黑洞是一個宇宙中的深淵，任何東西一旦落入其中，就一去無返，即使是光也不例外，而光是宇宙的極限速度，這就是說，其引力極度強(qiáng)烈，以致使我們無法了解黑洞的內(nèi)部，就這樣，它跟宇宙的其余部分相分隔。而把黑洞內(nèi)、外劃開的界限，稱為視界。也即任何事物，一旦穿過視界，就永遠(yuǎn)消失。

我國有句民諺：耳聽為虛，眼見為實?？墒乾F(xiàn)在理論家一開始就告訴你，黑洞是看不見的，那么他們怎么知道有黑洞？1916年，愛因斯坦建立了廣義相對論，這是一種有別于牛頓的引力理論。就在幾個月后，德國天文學(xué)家史瓦西，從愛氏方程中得出了黑洞的解。

說來也令人尷尬，雖愛氏知道，黑洞出于他的方程，但他不相信，大自然中真的存在黑洞。他最感到不能接受的，是微弱的引力竟然超過了所有其他自然力（電磁力、強(qiáng)力、弱力）。在微觀世界中，若以電磁力為1，那么引力比它要小37個數(shù)量級。而今一顆巨星之芯核，因引力而從宇宙中消失。

其實在當(dāng)時，也非愛氏一人不信，在20世紀(jì)上半葉，大部分物理學(xué)家也不大同意此說。一直到了1967年，美國物理學(xué)家丁?惠勒，使得黑洞成了響名。就在這個時期，黑洞思想有了很大變化，這主要借助于新的觀測技術(shù)。在天文觀察上，過去一直限于可見光，而20世紀(jì)60年代，X射線望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡，開始被廣泛應(yīng)用。這就使得天文學(xué)家，看到了過去看不到的天文事物。

天文學(xué)家十分驚奇地發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的星系中心，都富含星球、氣體、塵粒，且形成了一個凸出的區(qū)域，而在這個無序區(qū)域的中心（包括銀河系）也是一個重而密實的天體，其極強(qiáng)烈的引力拉力，只能表明那是一個黑洞。

這些黑洞皆極大，我們銀河系的這個巨型黑洞，是太陽質(zhì)量的430萬倍，而我們的鄰居仙女星系的中心黑洞，是太陽的1億倍；其他一些星系，有的為太陽的百億倍，這些黑洞并非一開始就如此巨大，它們靠捕食而長大。黑洞專家相信，較小黑洞皆漂流在星系的郊外。

圖1 從側(cè)向看過去的銀河系

圖2 黑洞概念圖

銀河系中心的黑洞

圖3 黑洞吸積物質(zhì)

經(jīng)過一代人的努力，黑洞從笑話變成廣為接受的思想。最終表明，黑洞在宇宙中相當(dāng)普遍，可能有幾十億個。沒有人見過一個黑洞。那里什么東西也看不到，只是空間中的一片空白。它的存在，是從其周圍物質(zhì)所受到的引力效應(yīng)，而從中推論出來的。

若大多星系中心沒有黑洞，那么天文事件將變得更為無常了。或許未來，一切疑惑皆可一掃而去，天文界正打算觀察黑洞吞食的激烈過程。

銀河中心的巨型黑洞，離我們約26000光年，稱人馬座A*。它是一個安靜的黑洞，若像活動星系、類星體那樣，狼吞虎咽著星球，那我們就遭殃了。但沒有人能保證，我們星系的中心黑洞永遠(yuǎn)是安靜的。據(jù)天文界的觀察，人馬座A*現(xiàn)在開始開胃口了，它目前正拉著一塊氣體云G2，以2880千米/秒的速度，向它奔去，用不到一年的時間，G2將接近人馬座A*的視界。

現(xiàn)在有關(guān)的天文機(jī)構(gòu)都在忙碌起來。例如，哈格得（英國西北大學(xué)）說，“這可能是我們了解黑洞吞食的最佳機(jī)會，因為它就在我們星系中心?！彼麄円褜⒆钚滦偷膬x器對準(zhǔn)人馬座A*，那是NASA（美國宇航局）的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列（Nu STAR）。它于2012年升空，可詳細(xì)觀測天空，能測到高能X射線，那是盤旋在黑洞邊上的高溫氣體，發(fā)出的激烈輻射。去年，Nu STAR探測到來自人馬座A*的爆發(fā)，那可能是盤旋著的氣體穿過磁場時，發(fā)出極明亮的閃光，或者，也有可能產(chǎn)生一條狹長的能量射流。人馬座A*的這種小噴發(fā)，可能向我們顯示出，這些射流產(chǎn)生的線索。

而按納亞克興（英國累斯頓大學(xué)）的看法，這一小噴發(fā)，是一個比G2（3個多地球質(zhì)量）小得多的高溫（1億度）氣團(tuán)（一顆行星的殘留部分），它們正向中心落入。納氏說，每10萬年左右，總有一顆不幸的行星，終于這樣的結(jié)局。

在過去的10年中，還有二顆X射線衛(wèi)星，一直在關(guān)注著銀心。哈氏說，“我們可從這些觀察回溯到過去，從而看清，在最近的100年前，有一個甚強(qiáng)輻射來自人馬座A*，”現(xiàn)在還說不清其起因，由于望遠(yuǎn)鏡的分辨力還不夠。

最令人興奮的是，全世界的所有射電鏡都將聚焦于人馬座A*，并對它作同步觀察，從而形成了一個相當(dāng)于地球尺度口徑的望遠(yuǎn)鏡，稱之世界望遠(yuǎn)鏡（EHT），有望攝下黑洞在行動中的圖像，當(dāng)然這不是黑洞本身，而是指其周圍物質(zhì)吸積盤的活動。這可為黑洞存在的有力證據(jù)。

永葆宇宙之青春

我們知悉黑洞的存在，還有助于我們了解宇宙之構(gòu)造。向黑洞猛飛的物質(zhì)，勢必產(chǎn)生大量的摩擦熱；黑洞還自轉(zhuǎn)著（它基本上是空間的漩渦）。摩擦熱與自轉(zhuǎn)相結(jié)合，就導(dǎo)致大量物質(zhì)落入黑洞。有的大量物質(zhì)并非穿越視界，僅是從近旁飛過，而其中90%的物質(zhì)也會被拉進(jìn)去。

吸積盤中的是高溫物質(zhì)，形成噴流，猛向空間射去，以近光速離開黑洞。這種噴流往往長達(dá)數(shù)百萬光年，筆直地穿越一個星系。從另一方面來說，黑洞攪拌了星系中心的老星球，并將這一過程中所產(chǎn)生的熱氣體，運(yùn)送到星系的外圍區(qū)域，它們逐漸地冷卻、凝聚，最終產(chǎn)生新的星球。使得星系清新，故黑洞使得星系永遠(yuǎn)保持活力。

說到這里，我們要談清有關(guān)黑洞的兩個問題。人們往往認(rèn)為，黑洞具有無限的引力，其實不然。一個黑洞的真空能，決不可能大于通常的星球，它正好擁有跟它尺度相對應(yīng)的抓捕力。若我們的太陽突然變成黑洞，它將保持同樣的質(zhì)量，雖其直徑將縮短至6.4千米（指視界）。地球?qū)⒆兊煤诎岛秃洌睦@日軌道依然不變，這個太陽黑洞，仍跟過去（全尺度）一樣，以同樣的引力抓住地球。

第二個問題是時間，黑洞跟時間具有十分奇怪的關(guān)系。就如愛因斯坦所發(fā)現(xiàn)的那樣，時間也受到引力的影響。若你將一臺極準(zhǔn)確的時鐘，置于摩天大樓每一層的地板上，它們的走時速率都是不同的。在較低的層面（即較接近地心），那里的地心引力較強(qiáng)一點(diǎn)，故鐘的走時，低層的將慢于高層。可是我們誰也沒有發(fā)現(xiàn)這些，那是因為它們之間的差別太小了，僅為十億分之一秒。

穿越視界

若有一位探險家用火箭射向人馬座A*，他容易接近視界，但不要穿過去，那么他在那里化上的一分鐘，在地球上將是過了一千年。這很難令人相信，但科學(xué)家確信如此，這就是引力戰(zhàn)勝了時間。

若你穿過了視界，又將怎樣呢？一個在視界外面的觀察者，他將不會看到你掉進(jìn)去，在他看來，你將一直待在視界邊上，一直這樣下去。

雖然外面的觀察者從未見你落入黑洞，那么你自己又將如何？人馬座A*很大，若從中心至視界足有1300萬千米。當(dāng)你跨越視界，有可能此時會出現(xiàn)火墻（量子論的看法），它從里面一直延伸到視界的上方，那么你就被燒毀。

但相對論預(yù)言，當(dāng)你穿越視界時，什么事也不會發(fā)生，實際上，你已丟失了宇宙的其余部分，但你一切完好。黑洞很深，但它有底，但你無法活著見到它。隨著你的落入，引力越來越強(qiáng)，若你的腳首先進(jìn)入黑洞，你現(xiàn)在感到，腳上受到的引力比頭部更強(qiáng)，最終你被撕裂，物理學(xué)家把此過程，稱之面條化。

但黑洞中心（奇點(diǎn)）仍是一個謎。欲了解奇點(diǎn)，將是科學(xué)史上的一個大突破。你首先須建立一種新理論。一種超越廣義相對論（它描述星球、星系的運(yùn)動）的理論，你還要超越量子論，它預(yù)言微觀粒子的運(yùn)動。這兩種理論皆很好地接近真實，但在一個極端的地方，如在黑洞內(nèi)部，它們皆不適用。

奇點(diǎn)被想象成極小、極小的點(diǎn)，即使放大幾億億億倍，你還是看不到它；它是如此之小，可是它卻是難以想象地重?，F(xiàn)在，極大部分物理學(xué)家皆信其存在，可是卻不知奇點(diǎn)內(nèi)部是什么？球、星系的運(yùn)動）的理論，你還要超越量子論，它預(yù)言微觀粒子的運(yùn)動。這兩種理論皆很好地接近真實，但在一個極端的地方，如在黑洞內(nèi)部，

奇點(diǎn)被想象成極小、極小的點(diǎn)，即使放大幾億億億倍，你還是看不到它；它是如此之小，可是它卻是難以想象地重?，F(xiàn)在，極大部分物理學(xué)家皆信其存在，可是卻不知奇點(diǎn)內(nèi)部是什么？

筆者感到，宇宙的運(yùn)行正是辯證法對立的統(tǒng)一的一個偉大實例。

137億年前，空間中的一個奇點(diǎn)，突然大爆炸，能量和物質(zhì)井噴而出，一直發(fā)展到現(xiàn)在這個樣子；視界內(nèi)的那個奇點(diǎn)，正好相反，它要抓捕萬物，萬物一旦進(jìn)入視界即行消失。看上去，似乎前者是創(chuàng)生，后者是毀滅。可是前文談到，實際上，中心黑洞在為星系作新陳代謝的工作，它的存在，正為宇宙永葆青春。

（責(zé)任編輯 張長喜）