引言：如果我這篇關(guān)于黑洞的科普性博文，能使感興趣的網(wǎng)友對(duì)黑洞有個(gè)大致了解，我也就心滿意足了，畢竟黑洞理論非常深?yuàn)W難懂，且還處于探索階段。
記得小時(shí)候,喜歡站在陽(yáng)臺(tái)上仰望浩瀚的星空,故鄉(xiāng)的夜空總是那樣星光燦爛,滿天的繁星顆顆清晰,明亮,看久了恍若置身在太空中,星星好像近在咫尺伸手可摘。每當(dāng)流星劃過(guò)長(zhǎng)空,一條絢爛的彩帶瞬間即逝,母親如是說(shuō),天上的每顆星,對(duì)應(yīng)地上的每個(gè)人,流星的墜落,意味著人的去逝，聽(tīng)后感到很神奇。 長(zhǎng)大了才知道天上的星星何其多,僅就銀河系里的恒星就有一千億顆,宇宙真是浩瀚無(wú)垠啊!太空中除了有能發(fā)光發(fā)熱的恒星外,還有行星,衛(wèi)星,慧星,白矮星,中子星,類(lèi)星體,超新星等等。到了上世紀(jì)六十年代,科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了極為神奇的天體——黑洞。至今對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)還處于探索階段, 隨著人類(lèi)對(duì)黑洞深入的研究,將揭示宇宙的起源和演化等重大課題。
浩瀚星空
流星雨
超新星爆炸
兩超新星碰撞爆炸
慧星劃破太空
小型慧星
人類(lèi)生活在地球上,"坐地日行八萬(wàn)里,巡天遙看一千河,"地球載著我們高速自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),我們卻安然無(wú)恙,那是由于地球的引力把我們牢牢吸住。牛頓的萬(wàn)有引力定律告訴我們,物體之間引力大小和物體質(zhì)量成正比,和兩物體之間距離的平方成反比.人類(lèi)要擺脫地球和太陽(yáng)系的引力,實(shí)現(xiàn)太空飛行就得有足夠高的逃逸速度,那就是大家熟知的第三宇宙速度.16.7km/s。由此我們會(huì)聯(lián)想到這樣的問(wèn)題:假設(shè)某個(gè)星球密度越來(lái)越大,而體積卻越來(lái)越小,由于距離的縮短,質(zhì)量的增大,該星球上的物體所受的引力也就越來(lái)越大,如果大到以光的速度都無(wú)法逃逸, 那么這個(gè)星球?qū)?huì)吞噬接近它的任何物體,甚至包括光,射線和電磁波。任何物體和信息到它那里就有去無(wú)回,人們也就無(wú)法觀測(cè)到,它象一個(gè)幽靈無(wú)聲無(wú)息運(yùn)行在茫茫宇宙中,只有引力能見(jiàn)證它。這樣的天體真的存在嗎?其實(shí)早在1783年,劍橋大學(xué)的約翰·米歇爾教授發(fā)表論文就預(yù)言上述天體的存在,他認(rèn)為盡管我們無(wú)法直接觀測(cè)到,但其強(qiáng)大引力場(chǎng)對(duì)周?chē)乔虻淖饔每勺C實(shí)它的存在。但在當(dāng)時(shí)牛頓力學(xué)無(wú)法解決引力場(chǎng)對(duì)光的作用問(wèn)題,直到1915年,愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的發(fā)表,才解決了這一難題.廣義相對(duì)論同時(shí)用方程把時(shí)間,空間和引力場(chǎng)聯(lián)系在一起,解出了光和引力之間的關(guān)系式。到了1969年美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒第一個(gè)把這一神秘的天體命名為黑洞。
黑洞首先是由理論物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算推理預(yù)言它的存在,而后才發(fā)現(xiàn)的。那么黑洞是如何形成的呢?我們首先來(lái)了解恒星的演化：恒星之所以能發(fā)生光和熱,是由于恒星內(nèi)部不斷進(jìn)行著核聚變,(輕原子聚合成重原子,釋放出大量光和熱)此時(shí)的恒星表層高溫高壓氣團(tuán)向外的膨脹力和恒星內(nèi)部引力保持平衡,維系著恒星的正常運(yùn)行。但當(dāng)恒星內(nèi)部核燃料逐漸耗盡,外層溫度的下降,使向外膨脹力無(wú)法抵消引力作用時(shí),就會(huì)發(fā)生引力坍縮,恒星引力坍縮將導(dǎo)致什么樣結(jié)果?它和恒星質(zhì)量有什么樣的關(guān)系?在上世紀(jì)二十年代,印度物理學(xué)家錢(qián)德拉塞卡解決了這一系列問(wèn)題。錢(qián)德拉塞卡被認(rèn)為是上世紀(jì)二十年代全世界能全面理解愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的三人之一,當(dāng)時(shí)他應(yīng)用廣義相對(duì)論和量子力學(xué)原理計(jì)算出:一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)1.5倍的冷恒星,在發(fā)生引力坍縮時(shí)恒星不能支撐自身以抗衡自已的引力而收縮下去,這一質(zhì)量被稱為錢(qián)德拉塞卡極限。當(dāng)質(zhì)量小于太陽(yáng)的冷恒星發(fā)生引力坍縮后，根據(jù)量子力學(xué)中泡利不相容原理,電子之間排斥力足以抵抗引力時(shí),恒星將演變成白矮星。白矮星的密度大約是每立方厘米幾十噸。如果冷恒星的質(zhì)量接近錢(qián)德拉塞卡極限,那么引力坍縮將危及原子核內(nèi)的中子和質(zhì)子,根據(jù)泡利定律,中子之間的排斥力足以和引力抗衡,此時(shí)冷恒星將演化成中子星。中子星的半徑不超過(guò)20公里,密度卻高達(dá)每立方厘米幾千萬(wàn)噸。
如果質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)錢(qián)德拉塞卡極限的冷恒星發(fā)生引力坍縮時(shí),連中子的斥力也無(wú)法抗衡,那么災(zāi)難性的引力坍縮將會(huì)導(dǎo)致無(wú)限密度嗎?錢(qián)德拉塞卡的導(dǎo)師,劍橋大學(xué)教授,天體物理學(xué)家阿瑟·愛(ài)丁頓拒絕相信這樣的計(jì)算結(jié)果。愛(ài)丁頓認(rèn)為引力坍縮不可能到一個(gè)點(diǎn),愛(ài)因斯坦的論文也認(rèn)為體積不會(huì)收縮為零。由于導(dǎo)師的異議,錢(qián)德拉塞卡改變了研究方向,但到1983年,他獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這在很大程度上是由于他早期研究成果。
超新星爆炸后所產(chǎn)生的帶狀氣團(tuán)
超新星爆炸后將坍縮成黑洞
劍橋大學(xué)教授,史蒂芬·霍金是繼愛(ài)因斯坦之后最杰出的理論物理學(xué)家。他是位傳奇式人物,由于得了引起肌肉萎縮的《盧伽雷氏癥》，長(zhǎng)期處于癱瘓狀態(tài),他的肢體盡管禁錮在輪椅上,而思維卻游弋于浩瀚的宇宙空間。他思考和正在解決的是自然界最本質(zhì)問(wèn)題——宇宙的起源和演化。他是黑洞研究方面的權(quán)威科學(xué)家?；艚鹫J(rèn)為：質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)錢(qián)德拉塞卡極限的冷恒星,引力坍縮時(shí);連中子的斥力都無(wú)法抗衡,其結(jié)果中子均被壓碎,當(dāng)收縮到某一臨界半徑時(shí)表面引力強(qiáng)大到連光速都無(wú)法逃逸.在這里,存在一事件的集合,或時(shí)空區(qū)域,這一區(qū)域界定為黑洞.其邊界稱作事件視界.在這里時(shí)空被扭曲,而無(wú)法逃逸的光其軌跡剛好和視界重合。這個(gè)臨界半徑稱為史瓦西半徑。
在這里我們作個(gè)假設(shè),如果某宇航員不幸被吸進(jìn)黑洞,進(jìn)入黑洞視界后,最大的可能是被吸進(jìn)黑洞中心的裸奇點(diǎn)完全消失。但由于視界內(nèi)的時(shí)空是彎曲的,根據(jù)廣義相對(duì)論方程式的解,也有可能墜入蟲(chóng)洞(愛(ài)因斯坦——羅森橋)而到另一時(shí)空世界,這也就是人們常說(shuō)的穿越時(shí)空,回到過(guò)去，這為科幻作家提供了豐富的想象空間。
科學(xué)巨人,阿爾伯特.愛(ài)因斯坦
印度著名物理學(xué)家錢(qián)德拉塞卡
英國(guó)著名理論物理學(xué)家史蒂芬.霍金
霍金認(rèn)為：質(zhì)量遠(yuǎn)超過(guò)太陽(yáng)的恒星,它必須越熱才能抗衡自身強(qiáng)大的引力,其結(jié)果它的核燃料消耗得越快,恒星的壽命也就越短。據(jù)估算太陽(yáng)這樣中等質(zhì)量恒星還可燃燒50億年,而那些遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的恒星其壽命才幾億年。宇宙從誕生到現(xiàn)在已有137億年,因此有大量大質(zhì)量恒星已演化成黑洞是完全可能的.霍金研究得出：黑洞的溫度不是零度,黑洞存在著黑體輻射,這種輻射稱為霍金輻射。輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比,其結(jié)果導(dǎo)致黑洞因輻射而慢慢變小,溫度卻越來(lái)越高,最后以黑洞蒸發(fā)或爆炸而終結(jié)。
由于經(jīng)過(guò)黑洞附近的光,射線和電磁波因黑洞強(qiáng)大引力場(chǎng)作用,均會(huì)發(fā)生彎曲,這一事件的直接結(jié)果是：相對(duì)地球而言,黑洞背后的恒星,因其光路彎曲使地球上的觀察者能看到這些恒星,如果側(cè)面還有黑洞,那么恒星背面射來(lái)的光被側(cè)面黑洞引力場(chǎng)彎曲而改變方向,這樣我們甚至能觀察到恒星背面的圖像。這一象現(xiàn)被稱作"引力透鏡"。
由于黑洞所具有的特性,發(fā)現(xiàn)黑洞是很困難的事,但從黑洞周?chē)l(fā)生的一些現(xiàn)象可間接證實(shí)黑洞的存在:當(dāng)黑洞吞噬星際物質(zhì)時(shí),在其上方會(huì)產(chǎn)生被稱為《吸積盤(pán)》的氣體云團(tuán),它們會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射,從而證實(shí)黑洞的存在。由于黑洞強(qiáng)大引力會(huì)造成附近星球變軌由此也能證明附近有黑洞存在。從理論上證實(shí)黑洞存在至今已有幾十年,科學(xué)家們?cè)谟钪嫘强罩杏^察發(fā)現(xiàn)了許多黑洞,這里僅舉幾個(gè)例子：2004年歐洲的天文學(xué)家,在遙遠(yuǎn)星系發(fā)現(xiàn)多個(gè)超大型黑洞,2008年美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)距地球2.6萬(wàn)光年的銀河系中心存在大型黑洞,其質(zhì)量為太陽(yáng)的270萬(wàn)倍.2012年1月,美國(guó)科學(xué)家用羅希x射線時(shí)變探測(cè)器,發(fā)現(xiàn)黑洞正進(jìn)入銀河系的圖像。
二十世紀(jì)物理學(xué)得到突飛猛進(jìn)地發(fā)展,特別是量子力學(xué)和相對(duì)論的建立,開(kāi)拓和深化了物理學(xué)研究領(lǐng)域,與此同時(shí),當(dāng)今的理論物理學(xué)越來(lái)越被艱深,繁雜,抽象的數(shù)學(xué)所替代,由數(shù)學(xué)推導(dǎo)所得出的物理結(jié)論,需要得到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的觀測(cè),驗(yàn)證才能成立,而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)領(lǐng)域進(jìn)展卻相對(duì)滯后,這就造成很多觀點(diǎn),結(jié)論未能得到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的充分驗(yàn)證,從而存在較大的爭(zhēng)議,比如宇宙中的信息守恒問(wèn)題,平行宇宙問(wèn)題,穿越時(shí)空的蟲(chóng)洞等......甚至有科學(xué)家懷疑黑洞的存在?這并不奇怪,相信隨著實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展,很多爭(zhēng)議和觀點(diǎn)會(huì)逐步得到認(rèn)同和統(tǒng)一。
科學(xué)家觀測(cè)到的最古老的黑洞
流星接近地面時(shí)的圖景
黑洞吞噬恒星景象
黑洞吞噬星球時(shí)在上方形成吸積盤(pán)——旋轉(zhuǎn)氣團(tuán)
銀河系中心黑洞
