登陆注册
17293400000008

第8章 黑洞究竟是什么

1939年,美国物理学家奥本·海默第一个从理论上提出了黑洞的存在。尽管他的观点在数学上无懈可击,黑洞的概念还是从一开始就受到了大多数物理学家的抵制。但却使公众着迷于黑洞这个概念。公众从未对像白矮星、中子星这些重要的恒星产生兴趣,而黑洞则像彗星一样吸引住了公众的注意力。很奇怪,顶尖的物理学家已为黑洞这一问题苦思冥想了几十年,并且仍在继续着。事实上,公众对黑洞的关注是因为我们很难解释它,这使黑洞成为我们知识的空白,促使每个人都能自由地发挥他们的想象。

宇宙黑洞

许多黑洞的定义都集中在说明它的引力场非常强,以致任何东西甚至光都无法逃离它。

让我们问一个简单的问题:黑洞有多大?

理论上,任何东西都能变成一个黑洞。比如,一颗恒星、一颗卫星、帝国大厦、一头大象、你,或者我,只要有足够的力施加到这个物体上,把它压缩至它的引力场强到可以使空间弯曲、俘获光,这样它就变成了一个黑洞。如果要使地球变成一个黑洞,那么地球就必须比乒乓球还要小。如果要使太阳成为一个黑洞,其半径将只有2.4千米。

实际上,太阳不会变成黑洞,你和我也不会。我们都没有大到可以成为黑洞,而有些恒星大到不可避免地会变成黑洞。正如科学家费里斯在《全部家当》中解释的那样,“每颗健康的恒星都代表两种相反力的平衡。引力要使恒星坍缩。恒星的核产生的向外热辐射,使恒星向外扩张。在向内的引力和向外的热辐射的作用下,处于平衡状态的恒星会有规律地跳动。跳动的脉搏由一种美妙的反馈机制来调节。”这种热和引力间的反馈机制能使恒星燃烧很长时间,对于太阳这将是100亿年,这是太阳寿命的一半。恒星核中的核燃料维持着这种反馈机制,它的燃烧率与恒星质量的立方成正比。这样,如果一个恒星的质量是太阳质量的10倍,那么它的燃烧率就是太阳的1000倍,燃烧得更明亮,但也更短。对于任何尺寸的恒星,只要热和引力之间的平衡被打破,坍缩就将是不可避免的了。

尺寸像太阳那么大或质量只有太阳质量5/7的恒星将变成白矮星。白矮星大小如地球,却具有太阳那么大的质量,它将不再坍缩,因为电子防止了恒星密度的增加。更大的恒星将坍缩得更厉害,常缩小到直径只有16.1千米,它们被称为“中子星”,因为它们的核是由电中性的亚原子粒子组成的。中子星旋转得非常快,能达到1000周/秒,如果它们还有一个磁场的话,那么它们将产生很强而又短促的无线电波束,这使它们得到了“脉冲星”的名称。

更大的恒星可能具有很大的质量,以致它们演化成的白矮星或中子星会继续坍缩下去,这样就将形成黑洞。任何物体包括光,都逃不脱黑洞的吸引,只要它们离黑洞的视界足够接近,它们就会被吞噬。支配宇宙的正常的引力规律在视界处转变为支配黑洞的规律。黑洞是这样一个奇点,在其内部区域特殊的规律起着作用。已有许多不同的理论尝试着详细说明黑洞内部所发生的一切。一些宇宙学家认为,任何掉入黑洞的物体将被拉长,像面条一样,而另一些人则想象着通过黑洞旅行到另一个不同世界的可能性。许多聪明的人为此做了无数的计算,但遗憾的是,还没有人真正知道将发生什么。考虑到宇宙大爆炸理论的某些方面,我们所面对的奇点为描述黑洞提供了一些线索。不管对黑洞的数学描述有多么精致,它只是一个想象的现实。

天文学家观测黑洞存在一个固有的问题。从黑洞的定义可知,它们不能被观测到,只能从它们周围的其他恒星和星系的表现来推断黑洞的存在。随着1994年对哈勃望远镜的修复和X射线望远镜的发展,人们不断进行观测,积累有用的信息。20世纪90年代后半期和21世纪的开头,根据记录的数据,许多有关黑洞的预言都被证实。在过去的若干年中,几乎所有的宇宙学家都认为我们已拥有了证明黑洞存在的证据。然而事情常常是这样的,当不断获得新的信息时,它在解决问题的同时也不断地带来新的问题。

自1974年天鹅座X-1被普遍认为是黑洞的最佳候选者以来,天文学家就一直在这方面不懈地努力着。天鹅座X-1是一个由两颗恒星组成的双星系统,这样的系统在宇宙中很常见,但天鹅座X-1的特别之处在于:用光学手段进行观测时,一颗恒星很亮,但用X射线进行观测时就变得很暗了;另一颗正好相反,光学观测时很暗,X射线观测时就很“亮”。前一颗恒星看来在绕后一颗旋转。利用数学公式,会发现那颗暗星太重,不会是中子星,非常可能是一个黑洞。

天鹅座X-1是黑洞这一结论,既有从哈勃望远镜得到的光学观测证据,也有X射线观测证据。其他的新信息更具有挑战性。正如一些天文学家所预言的,20世纪90年代后期的观测证据表明存在两种不同的黑洞。科学家正在找的不光是具有天鹅座X-1这样典型双星系统质量的黑洞,还包括质量为10亿倍太阳质量的黑洞。这样的超级黑洞不断在星系中心被发现,到2001年为止已发现了30个。这些都是通过测量黑洞周围被黑洞所吞噬的高速旋转气体的速度得到的。

结果表明,星系越大,其中心的黑洞就越大。并且,这些超级黑洞好像只存在于椭圆状星系的中心,而且星系中心有—个致密的恒星群突起,没有中心突起的星系则没有黑洞。银河系有一个相对较小的中心突起,它有黑洞,但黑洞的质量只有几个太阳那么大。不管黑洞很大,还是相对较小,从所观测到的数据来看,黑洞的质量只相当于星系中心突起部分质量的0.2%。

宇宙学家检验着这些证据,并越来越确信黑洞可能是形成它周围星系的种子。在一个小组发现了3个超级黑洞后,小组的领导、密歇根大学的里奇斯通于2000年1月说道:“不知何故,这些黑洞在决定它们的质量时,它们似乎知道它们所处的星系的质量;或者,当星系正在形成时,它知道它周围黑洞的质量。”在量子层次上,人们早就认识到电子能知道彼此在做些什么,但在星系尺度上发生这种情况同样使宇宙学家感到既神秘又兴奋。现在,这就是一个先有鸡还是先有蛋式的争论:是先有星系还是先有黑洞呢?有些科学家认为先有黑洞,另一些科学家则认为它们是交错发展的。

渐渐地,越来越多的科学家开始认为确实存在黑洞。但直到20世纪90年代后期,哈勃望远镜才开始清晰地观测星系,确定黑洞的存在。然而,黑洞仅仅是刚刚开始透露它们的秘密,与此同时它们又在增加新的秘密。它们是揭开宇宙如何工作之谜的钥匙,在以后相当长的一段时间内,它们所带来的答案会跟它们所产生的复杂问题一样多。

同类推荐
  • 启蒙三书

    启蒙三书

    读圣贤书,立君子品,做厚德人。《三字经》、《百家姓》、《千字文》是千百年来广为流传的蒙学传世典籍:这里有“天地玄黄,宇宙洪荒”的美丽传说,这里有“赵钱孙李,周吴郑王”的袅袅余音,这里还有“人之初,性本善”的循循善诱……
  • 睡前8分钟(可爱卷)

    睡前8分钟(可爱卷)

    每当夜晚降临,妈妈的故事总能陪伴着孩子,让他安然入睡。让孩子从简单的故事里学会勇敢、坚强、善良等美好的品德。本套《睡前8分钟》丛书精选了百余个优秀儿童故事,用活泼生动的语言、精美可爱的图片将它们一一道来。除了好听的故事外,本书还特别增添了阅读分享环节,让孩子在游戏中学到更多的知识和道理,并让家长与孩子能更好的沟通,增进亲子之情。
  • 语文新课标课外读物——希腊神话故事

    语文新课标课外读物——希腊神话故事

    为了全面提高广大中小学生的知识基础,培养阅读的兴趣和爱好,这套课外读物收编了大家喜闻乐见的广博知识,把阅读名著与掌握知识结合起来,扩大阅读的深度和范围,这正是设计本套读物的最大特色。因此,本套课外读物有着极强的广泛性、知识性、阅读性、趣味性和基础性,是广大中小学生阅读和收藏的最佳版本。
  • 安徒生格林童话中的人生智慧(三)

    安徒生格林童话中的人生智慧(三)

    本书分为:“劝勉篇”、“修身篇”、“处世篇”、“超越篇”、“技巧篇”、“奋发篇”、“行动篇”、“进取篇”八部分内容。
  • 螳螂警长克拉克(读故事学科学丛书)

    螳螂警长克拉克(读故事学科学丛书)

    螳螂警长是一个聪明而有知识的警长,他和有点呆笨的助手狒狒警官破了许多奇奇怪怪的案件,如被盗的MP3、古堡疑案、湖心岛的黄金、猪宝宝被绑架等一系列大案。通过破案过程,介绍了一些动物的特征,使读者对动物知识有更深的了解。
热门推荐
  • 剩下的盛夏之盛夏的爱恋

    剩下的盛夏之盛夏的爱恋

    在盛夏仰望天空你会发现他暗恋着她却不敢说出口而她却深深爱上了他毛毛虫式的爱情就是等待等待着成长与化蛹这一切都是为了以翩然美丽的姿态在你面前飞舞当你折断双翼为我而平凡放弃了飞扬顶着爱情的光环你在我心中即使没有了双翼却因平凡而更加美丽
  • THE HISTORY

    THE HISTORY

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 战纹

    战纹

    【起点第四编辑组签约作品】他,是一个可以在冥界睁开双眼的男人;他,是一个可以让曼珠沙华花叶相见的男人;他,是一个可以令三生石发出颤抖,位面崩溃的男人。本不该堕入轮回的他再次重生在巴罗西亚,在这个大陆,没有斗气,也没有魔法,唯有战纹才是一切力量的源泉,那么他又能在这片大陆书写一篇怎样的传奇?【剑非新作,签约作品,欢迎收藏,期待推荐】
  • 卦术王

    卦术王

    这是一个以卦术为修行根本的仙侠世界。法术、神通、道术、天术,都以卦术的精确推演和组合为基础;符文、法阵、丹药、道器等修行资源的创新和发展,都以对《连山》和卦爻的理解和运用为根本。--------------洪荒破裂,大碎片化为星球,小碎片化为大陆,在星宇以似无还有的轨迹漂浮。各大陆和星球上幸存下来的的修行者,进入一个新的修行纪元。
  • 刘宗周与蕺山学派(阳明学研究丛书)

    刘宗周与蕺山学派(阳明学研究丛书)

    刘宗周被认为是宋明儒学的殿军,在晚明儒学史上独树一帜。本书从对刘宗周哲学体系内在逻辑分析入手,将研究推至思想家本身,希望借此能呈现出特定的社会环境和文化传统对其人格结构和哲学思想的影响;尝试通过刘宗周人格结构的内部机制来解说其心性哲学,以期能够更真切地体认他的思想。本书认为,刘宗周的心性哲学是将理学的内容注入心学体系之中,使客体之理变为主体之心,客观之理成为主观之意,由此统一心学和理学,其实质是以理入心,进而以理代心。对蕺山学派的研究是本书的又一主要内容。我们将重点放在梳理刘宗周之后学派内部变化,以张履祥、陈确和黄宗羲为例,通过他们的学术异同及冲突来解释蕺山学派分裂没落的内部原因。
  • 你才是我最真挚的爱

    你才是我最真挚的爱

    “以我对你的了解,你不会在没完成任务就回来的。”“我这是回来完成那最后一步的。”说完苏泽掏出一把匕首刺进了水诗妍的身体。......借尸还魂对于经常在生死边游离的水诗妍来说也不是那么难以接受。她轻轻吸了口气,从现在开始她就是水诗涵,水诗涵就是她。苏泽,哼既然你的野心那么大,我会让你变得一无所有。......水诗涵用匕首割破自己的那已经有了好几道细微伤口的手指,轻轻放在那冰凉的薄唇上,“莫逸辰,快点醒过来吧。”......期待着这会有一个唯美的大结局!
  • 青舟醉流霞

    青舟醉流霞

    若叹流霞一曲美梦,且看青舟几度秋凉。.注:已签约,今天开始稳定更新。
  • 人生赢家进化论

    人生赢家进化论

    父母离异,感情淡薄,失业失恋,毫无存款。生活处处碰壁,一惨再惨,难道没有好家世就意味着永无出头之日?尤佳本来也这么觉得,所以她准备去自杀了。但事实证明,人生总有意外出现。失败落魄的丑女为什么就不能拥有华丽人生呢?人生不能重来,不是非得穿越或重生才能凤凰涅盘。终有一天,挫货也可以变成人生赢家。
  • 精典教育-夏洛特·梅森家庭教育法

    精典教育-夏洛特·梅森家庭教育法

    本书是作者夏洛特·梅森在经过多年的实践和研究后写成的,介绍了孩子的思维过程,使家长在教育中不断发现问题,及时有效地解决问题。书中,夏洛特·梅森提出了自己的核心观点,即培养孩子的独立性,让孩子成长为一个有发展可能性和能力的“人”,避免成为一个只会读书的书呆子。
  • 黑暗行者传奇

    黑暗行者传奇

    2098年,地球沦陷。流浪者文明赛斯帝国,执行神级文明的意志,奴役、驱使、挑选人类。黑客吴凡在机缘巧合下成为了赛斯小王子尼亚斯的盟友,他将会成为赛斯虚拟世界中的黑暗行者,与尼亚斯一起,揭露赛斯帝国的一个天大的秘密。然而赛斯帝国的虚拟世界与人类的虚拟世界完全不同,这里更加的残酷,更加的混乱。人类的代码和思维算法在这里几乎没有用武之地,吴凡必须从头学起。不仅仅要学习赛斯人的编程技术,还要学习赛斯人的武技。为了人类的未来,吴凡必须逼迫自己,释放最大的能量,让不可能变为可能。最终,吴凡能够铸成传奇吗?