黑洞的前世今生

文 / 沈蕙舒 闻新

宇宙中到底有没有黑洞？如果有，茫茫宇宙中黑洞又会在哪呢？直至今日，人类虽然无法直接观察到黑洞,但人们对黑洞的存在却是确信无疑的。

▲ 艺术家笔下的黑洞

“黑洞”概念的起源

1783年，英国科学家约翰·米歇尔提出：存在比太阳质量更大的恒星，其逃逸速度超过光速，因此任何光都可以被这种恒星的引力拖拽回去，在那种情况下，连光线都看不到。米歇尔将这种恒星叫做“暗星”，就是现在所谓的“黑洞”。

1795年，法国科学家皮埃尔·拉普拉斯将光速的有限性与经典力学中的最大逃逸速度相结合，第一次提出了“黑洞”的概念，他也因此被称为“黑洞”之父。

▲ 黑洞

1915年，爱因斯坦提出广义相对论，这一理论首次将引力解释成时空的弯曲，即任何有质量的物体都会使其周围的时空产生弯曲，这种时空弯曲进而会影响其它物体的运动。也就是说从本质上来看物体之间相互吸引其实是因为时空是弯曲的，这就好比在一块平整的布上放一个篮球，篮球会使其周围的布面凹陷下去，而当我们在篮球的旁边再放一个小球时，小球便会顺着布面凹陷的方向运动，直至和篮球发生碰撞。在这里，如果把布面看成时空的话，布面的凹陷就是时空的弯曲，而小球的运动就可以看作是时空弯曲的结果。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个严格解，从这个解中我们可以得到，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”就是我们所说的黑洞。

黑洞，是人们对宇宙空间一个区域的形象称呼。如果宇宙中确实存在黑洞的话，那才是名副其实的黑洞，不但物体掉进去会消失得无影无踪，就连光也休想从那里逃逸出来，它就像一个无底洞，永远也填不满，因此它也被称为“星坟”。

▲ 赫罗图

黑洞的前世之谜

丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素分别于1911年和1913年提出赫罗图。赫罗图表示的是恒星的光谱类型与光度的关系，其中图像的纵轴是光度与绝对星等（光度是指恒星每秒辐射出的总能量，绝对星等是指把恒星放在距地球32.6光年的地方所得到的亮度），横轴则是光谱类型或恒星的表面温度。恒星的光谱类型可分为O、B、A、F、G、K、M七种，该光谱类型与恒星表面温度有一定的对应关系，即O到M的光谱类型对应的恒星表面温度依次递减。根据赫罗图我们可以看出主序对角线中恒星的亮度越大，其表面温度就越高。

天文学家们以赫罗图为基础，认为恒星一生经历了星云、原恒星、主序星、红巨星等演化过程。红巨星继续演化，就会变成了“铁心”的天体。而当铁核质量达到了2个太阳质量以上时，就会成为“黑洞”。

▲ 超大质量黑洞

除了由恒星演化而成的黑洞之外，还有一种是人们尚不清楚形成原因的超大质量黑洞，它的质量可达到太阳质量的数十亿倍。上世纪60年代，科学家们在宇宙中发现了一些特殊的天体，它们看起来和恒星很相似，但又不是恒星，于是科学家们将它们命名为类星体。类星体距我们非常远，但它们发出的光却特别亮，而且和它们具有的能量相比，它们的体积显得异常小。据此，很多科学家认为类星体的中心有一个超大质量黑洞，物质在被吸入类星体中心时会高速运动，同时物质与物质之间也会靠得越来越紧密，进而物质之间相互摩擦，产生热量，发出很亮的光。

黑洞的今生之貌

黑洞的面貌

▲ 百度“黑洞”特性

你大概还没有体验过，今天如果你在百度里搜索“黑洞”一词，百度就会立即呈现出一种黑洞影响力的情景：一个巨大的黑洞占据了屏幕，把屏幕中所有的东西都吸走了。

那么，黑洞面貌是怎样的呢？ 在人类社会中，有些人过着隐士般的生活，喜欢独居，希望别人不要过多地探询有关他们的事情。类似地，在宇宙里，黑洞也是一个隐居者。理论上讲，黑洞本来是一颗恒星，然而它最终没有熄灭或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一样，坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点。在《星际穿越》影片中，黑洞模型是一道光轮环绕着里面的球形大漩涡，看起来似乎既从上面弯过去，又从下面弯过来。

黑洞的种类

目前，对于不带电荷的黑洞，科学家认为有两类：史瓦西黑洞和克尔黑洞。

在宇宙空间里，史瓦西黑洞居多数，所以也称为“寻常黑洞”。史瓦西黑洞是由较大的恒星到寿命晚期时，核燃料消耗殆尽，辐射压急剧减弱，并在星体自身引力的作用下坍缩，最终演化为“寻常黑洞”。科学家不清楚史瓦西黑洞本身是不是球体，但它外面的视界是球体。

▲ 计算机模拟的史瓦西黑洞

▲ 克尔黑洞

克尔黑洞是在史瓦西黑洞的基础上，让黑洞旋转起来得到的。不同于史瓦西黑洞，克尔黑洞内部结构比较复杂。克尔黑洞中心是一个奇环，有内外两个视界。内视界为黑洞奇异性的界限，而外视界则为不可逃脱的界限。克尔黑洞的最外围还有一个界限称为静止界限，也称“静界”。静界是克尔黑洞旋转时拖动着周围的时空一起转动产生的，该处时空的旋转速度等于光速。静界和外视界之间的夹层称为能层，所有进入“能层”又逃逸的物体本质上是从黑洞中获取了能量。

克尔黑洞可能与白洞连接，因此，进入克尔黑洞的物体只要不撞在奇环上就有可能从白洞出来。由此看见，如果你执意要进入黑洞体验一番，那么请选择克尔黑洞，因为或许你能够从白洞出来。

黑洞的影响力

▲ 德国天文学家卡尔·史瓦西提出物体的史瓦西半径的概念

关于黑洞的影响力，我们可以通过一个例子来解释。现在设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的圆石头代表黑洞，显然，这将大大影响床面，床面不仅会弯曲，甚至还有可能断裂。类似的情形会在宇宙中出现，若宇宙中某处存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的撕裂称为“时空的奇异性”或“奇点”。

被黑洞吸入不能再返回的边界叫做“黑洞视界”，这个“黑洞视界”在一个被称为“史瓦西半径”的一个球壳上。“史瓦西半径”是任何具有重力的临界半径，其长短只与物体的质量成正比，一个重力天体的半径只要小于其“史瓦西半径”就会发生塌陷，进而被称为黑洞。地球的“史瓦西半径”约为9毫米，而太阳的“史瓦西半径”约为3公里。如果有一个太阳质量的黑洞，那么只要距离这个黑洞中心3公里以外，就没有危险，就算飞船从黑洞旁边飞过去也不会被抓住。

黑洞辐射

任何进入黑洞的东西都不能逃逸出去，但科学家又认为黑洞会慢慢地释放其能量。这又是怎么回事呢？

早在1970年，科学家们就发现黑洞和热力学之间存在某些关联：当物质落入黑洞后，黑洞的视界表面积会增加，而将这条性质与热力学定律相对比就会发现，黑洞的视界表面积和热力学中的熵很是相似。那视界表面积和熵究竟有什么关系呢？1972年，物理学家雅各布·贝肯斯坦还是一名研究生，他提出视界表面积就是黑洞熵的度量，当一个有熵的物体落入黑洞时，黑洞的视界表面积就会增加。同时，贝肯斯坦还指出一个黑洞的熵是有限的，而这表明，黑洞处在有限温度的热辐射平衡状态，但是当时人们认为黑洞不会向外发出任何辐射。直至1974年，著名物理学家霍金证明，黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为黑洞辐射。并且霍金提出：黑洞的质量越大，温度越低，发射过程就越慢，反之亦然。

非星黑洞

霍金指出，宇宙中还存在另一种类型的非星黑洞。大爆炸期间，宇宙处在极高的温度和极大的密度状态，那时有可能产生为数众多的微型原生黑洞。但这种微型黑洞和大质量黑洞不同，它们不断地损失质量直到消失。在一个微型黑洞的附近，可以形成诸如质子和反质子这类粒子。当一个质子和一个反质子从微型黑洞的引力中逃逸，它们就会湮灭并产生能量。如果这一过程一再重复，微型黑洞则耗损掉全部能量，最终就是黑洞被“蒸发”了。

人类自始至终都在科学探索方向奋力前行，关于黑洞，人们目前掌握的还只是少许碎片。我们相信，当人们把散落在宇宙中的碎片拼接完整时，我们离宇宙的真相也就不远了。★