黑洞

英·斯蒂芬·威廉·霍金

黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为了形象地描述至少可回溯到200年前的这个思想时杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说，另一种是光由波构成的光波动说。我们现在知道，这两者实际上都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。人们起先以为，光粒子会无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗默关于以有限速度进行的发现意味着引力对之可有重要效应。

1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，于《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够致密的恒星会有如此强大的引力场，甚至连光线都不能逃逸：任何从恒星表面发出的光，在还没到达远处就会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然由于从它们那里发出的光不会到达我们这里，我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名副其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去，也许他认为这是一个愚蠢的观念。

为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初，大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时，气体原子越来越频繁地以越来越大的速度相互碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气體的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球收缩，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，恒星最终会耗尽它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被耗得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在１亿年这么短的时间内耗尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到20世纪20年代末才会初次被人们理解。

（选自《时间简史》，湖南科学技术出版社2006年版，有删改）

赏读

《时间简史》是一部伟大的科普著作。谈及科普读物，它带给我们的印象往往是生涩、专业、枯燥的，读者们都会默契地对其敬而远之。倘若如此，那我们可能永远无法透过文字感受科学的魅力了。

文章开篇详细介绍了“黑洞”这一术语的提出过程，接着具体解释了“黑洞”这一现象，最后分析“黑洞”的形成。思路清晰，逻辑缜密，值得我们学习。我们在阅读科普类作品的时候，应关注作者是如何用生动的语言、形象的比喻将抽象的科学概念、科学现象解释得通俗易懂的。细读本文你便会发现，霍金笔下的“黑洞”并非深奥难解，这就源于作者时而通俗、时而生动的语言。例如，第二段对于“如此强大的引力场，甚至连光线都不能逃逸”这种现象的解释，极其通俗易懂；第三段解释黑洞形成的原因，作者在介绍核反应发出的热和引力吸引后的平衡时以气球为喻，生动形象，降低了读者的阅读难度。