神秘的黑洞

赵峥

在1800年以前，也就是拿破仑那个时代，英国剑桥大学学监米歇尔与法国数学物理学家拉普拉斯，用牛顿理论分别独立地预言了一种暗星。他们认为，天空中存在一类明亮的天体，像恒星那样大，或许还像恒星那样多。这种天体由于自身的万有引力极强，把自己发出的光都拉了回去，所以这类天体虽然很亮，我们却看不到。那个时候，光的微粒说占上风，认为恒星发射光，就像大炮射出炮弹一样，如果恒星的万有引力极强，就有可能把射出的光子拉回去。

拉普拉斯在他的巨著《天体力学》第1版（1796年）和第2版（1799年）中都谈到了这种暗星，但在1808年出版的第3版中，他取消了有关论述。这是因为托马斯·杨于1801年完成了光的双缝干涉实验，否定了牛顿提出的光的微粒说，证明了光实际上不是粒子，而是一种波。拉普拉斯认为自己在微粒说基础上预言的暗星恐怕不可能存在了，所以他在自己的著作中删掉了有关论述。

此后学术界逐渐淡忘了拉普拉斯等人对暗星的预言。这种情况一直持续到1939年。那一年，美国物理学家奥本海默和施耐德，在用爱因斯坦的广义相对论研究中子星时，发现中子星有一个质量上限，超过这个质量上限的中子星将发生无限坍缩，最终形成外界看不见的暗星。这就是说他们用广义相对论再次预言了暗星的存在。有趣的是，他们得出的暗星产生条件和拉普拉斯等人给出的一样。

不过，奥本海默并没有继续这一研究。这是因为不久之后“二战”就爆发了，他受命去研制原子弹，离开了天体物理的研究，从此再也没有回到暗星的研究上来。其他人也没有继续奥本海默开创的暗星研究。这是因为包括爱因斯坦在内的一些著名学者都认为暗星不可能存在。他们觉得，暗星密度太大，太阳质量的暗星密度将达到每立方厘米100亿吨，这实在令人不可思议。当时，密度可达每立方厘米1亿～10亿吨的中子星尚未发现，已知的最密物质是白矮星上的物质，那也不过每立方厘米1吨左右。由于爱因斯坦等人的崇高威望，一般物理学家都认为自然界不可能存在暗星，因而没有人对暗星的研究产生兴趣。

直到1964年，才有美国物理学家惠勒对暗星问题产生了兴趣。惠勒曾参加过美国的氢弹研制，和氢弹总设计师泰勒关系不错。他在泰勒等人的帮助下，用位于核基地的当时最好的计算机模拟了中子星的坍缩。模拟结果表明，坍缩成暗星是完全可能的。于是包括惠勒在内的一些物理学家重新开始了对暗星的研究。1967年，惠勒把這类暗星命名为“黑洞”，于是黑洞一词开始在物理界、天文界流传，并逐渐在公众中传播开来。

广义相对论预言，时空弯曲的地方时间会走得慢。爱因斯坦发表广义相对论的时候就指出，由于太阳表面的时空弯曲程度比地球附近大，所以放置在太阳表面的钟会比地球上的钟走得慢，因此太阳那里氢原子发出的光，在地球上的人看来会发生红移。天文观测证实了爱因斯坦的预言（参见2016年第6期本专栏“引力红移”——编者注）。

广义相对论的研究表明，黑洞附近的时空弯曲程度非常厉害。放置在黑洞附近的钟，在地球上的人看来，简直慢到了几乎不走的程度。放置在那里的光源发出的光，红移几乎趋于无穷大，也就是说光谱线的波长几乎趋于无穷大。

如果有一艘飞船飞向黑洞，地球上的人将看到，飞船越接近黑洞，就飞得越慢，飞船上的人的动作也越来越缓慢，逐渐趋于僵化。而且，由于时间变慢的作用，飞船的颜色也越来越红。最后飞船“冻结”在了黑洞的表面上，但看不见它进入黑洞。这些现象都是由于越靠近黑洞的地方时空弯曲得越厉害，在地球人看来，那里的时间进程越来越慢所造成的。

那么飞船能否进入黑洞呢？实际上，觉得飞船进不了黑洞，是远方观测者（例如地球上的人）看到的景象。但是，远方观测者看到的时间进程，并不是飞船上的人真实经历的时间。飞船上的宇航员没有觉得自己的时间变慢，他觉得自己在正常地生活、操作，飞船正常地趋近黑洞，并且正常地进入了黑洞。那么外面的人怎么看到他没有进入黑洞呢？那是因为他的图像留在了洞外。我们在教室里看一个同学走出门去，他的背影一闪就从门处消失了。这是因为组成他背影的光子，一下子都飞向了各方，包括飞到我们的眼中，在门口处没有遗留下背影的光子。黑洞处的情况与此大不相同，那里时空弯曲得极其厉害，飞船进入黑洞时，组成它背影的光子被滞留在黑洞表面附近，只能一点一点地往外跑，越跑越稀，要经过无穷长的时间才能逐渐跑完。所以，远方的观测者将看到飞船的背影滞留在那里，飞船似乎没有飞进去。但由于背影的光子越来越稀，远方的人将看到背影逐渐变暗，逐渐消失在黑洞附近的黑暗中。

前面说到，宇航员觉得自己的飞船正常地进入了黑洞，那么，他的遭遇又如何呢？研究表明，黑洞内部有一个奇特的性质，那就是“时空坐标互换”。在黑洞内部，原来用于表示半径的径向坐标r变成了时间，原来的时间t却变成了空间坐标。时间与空间不同，它有流逝性，有方向性。那么时间，的方向指向哪里呢？物理学家们认为，黑洞是由致密的星体（例如中子星）坍缩形成的，形成黑洞的一瞬间，物质的运动方向是朝向星体中心（r=0处）的，所以，作为黑洞内部的时间参量r，它的指向应该朝向r=0的“球心”。然而，由于，已不再是空间坐标，不再是半径，所以r=0也就不能再称为球心。那里，实际上是时间的“终点”，是时间终结的地方。

由于时间的流逝是不可抗拒的，进入黑洞的飞船将不能停留，会不可避免地奔向时间的终点r=0处。其实，任何进入黑洞的物质都必须奔向该处。所以，黑洞内部，除去r=0那一点之外，全部都是真空。物质全部聚集于r=0处，那里物质的密度为无穷大。研究表明，在r=0处，时空的曲率也是无穷大，因此这个点被称为“时空奇点”。图1给出了球对称黑洞的结构图。这里画出的球对称黑洞（又称史瓦西黑洞），是一种最简单的黑洞。黑洞的表面r=2GM/c2，被称为事件视界，或者简称视界。

在黑洞内部，由于，表示时间，所以等，面不再是球面，而是“等时面”，等，面上的各点，处在相同的时刻。由于时间的流逝是不可抗拒的，只能从“过去”流向“未来”，因此等，面成了单向膜。所以，如上所说，进入黑洞内部的物质，只能向r=0的方向跑，不能停留，更不能向，增大的方向跑。这一方面导致除去奇点r=0处之外，黑洞内部整个是真空，另一方面导致洞内物质不可能往外跑，更不可能跑出洞外。所以黑洞是一颗只进不出的星，任何物质都可以掉进去，但任何东西都不能跑出来。

研究表明，进入黑洞的飞船，会很快到达奇点。广义相对论认为，奇点处于时间之外，所以进入黑洞的飞船和任何其他物质，都将很快处于时间之外。“时间之外”是什么意思，现在还不清楚。

太阳质量的黑洞，半径大约3千米，进入这种黑洞的飞船，用不了1秒钟就会到达奇点，处于“时间之外”。当然，巨大的黑洞，例如星系级质量的黑洞（大约含几百亿、上千亿个太阳质量），进去的飞船和物质需要较长的时间才能抵达奇点，但这仍是一个有限的时间。

那么，进入黑洞的飞船上的宇航员能看到什么呢？能有什么感受呢？研究表明，飞船上的人看不到前方的奇点，也得不到来自前方的任何信息，因为“前方”的信息只有逆着时间前进，才能抵达宇航员的眼中，而逆着时间前进是不可能的。宇航员只能感到周围的万有引力越来越强、潮汐力越来越大。靠近奇点时，集中于奇点附近的巨大质量，施加于宇航员和飞船的潮汐力会非常大，所以，宇航员和他的飞船都将在很短的时间内，被巨大的潮汐力撕碎，压入奇点，在那里处于时间之外。