神秘的黑洞

趙崢

在1800年以前，也就是拿破侖那個(gè)時(shí)代，英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)監(jiān)米歇爾與法國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家拉普拉斯，用牛頓理論分別獨(dú)立地預(yù)言了一種暗星。他們認(rèn)為，天空中存在一類(lèi)明亮的天體，像恒星那樣大，或許還像恒星那樣多。這種天體由于自身的萬(wàn)有引力極強(qiáng)，把自己發(fā)出的光都拉了回去，所以這類(lèi)天體雖然很亮，我們卻看不到。那個(gè)時(shí)候，光的微粒說(shuō)占上風(fēng)，認(rèn)為恒星發(fā)射光，就像大炮射出炮彈一樣，如果恒星的萬(wàn)有引力極強(qiáng)，就有可能把射出的光子拉回去。

拉普拉斯在他的巨著《天體力學(xué)》第1版（1796年）和第2版（1799年）中都談到了這種暗星，但在1808年出版的第3版中，他取消了有關(guān)論述。這是因?yàn)橥旭R斯·楊于1801年完成了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，否定了牛頓提出的光的微粒說(shuō)，證明了光實(shí)際上不是粒子，而是一種波。拉普拉斯認(rèn)為自己在微粒說(shuō)基礎(chǔ)上預(yù)言的暗星恐怕不可能存在了，所以他在自己的著作中刪掉了有關(guān)論述。

此后學(xué)術(shù)界逐漸淡忘了拉普拉斯等人對(duì)暗星的預(yù)言。這種情況一直持續(xù)到1939年。那一年，美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默和施耐德，在用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論研究中子星時(shí)，發(fā)現(xiàn)中子星有一個(gè)質(zhì)量上限，超過(guò)這個(gè)質(zhì)量上限的中子星將發(fā)生無(wú)限坍縮，最終形成外界看不見(jiàn)的暗星。這就是說(shuō)他們用廣義相對(duì)論再次預(yù)言了暗星的存在。有趣的是，他們得出的暗星產(chǎn)生條件和拉普拉斯等人給出的一樣。

不過(guò)，奧本海默并沒(méi)有繼續(xù)這一研究。這是因?yàn)椴痪弥蟆岸?zhàn)”就爆發(fā)了，他受命去研制原子彈，離開(kāi)了天體物理的研究，從此再也沒(méi)有回到暗星的研究上來(lái)。其他人也沒(méi)有繼續(xù)奧本海默開(kāi)創(chuàng)的暗星研究。這是因?yàn)榘◥?ài)因斯坦在內(nèi)的一些著名學(xué)者都認(rèn)為暗星不可能存在。他們覺(jué)得，暗星密度太大，太陽(yáng)質(zhì)量的暗星密度將達(dá)到每立方厘米100億噸，這實(shí)在令人不可思議。當(dāng)時(shí)，密度可達(dá)每立方厘米1億～10億噸的中子星尚未發(fā)現(xiàn)，已知的最密物質(zhì)是白矮星上的物質(zhì)，那也不過(guò)每立方厘米1噸左右。由于愛(ài)因斯坦等人的崇高威望，一般物理學(xué)家都認(rèn)為自然界不可能存在暗星，因而沒(méi)有人對(duì)暗星的研究產(chǎn)生興趣。

直到1964年，才有美國(guó)物理學(xué)家惠勒對(duì)暗星問(wèn)題產(chǎn)生了興趣?；堇赵鴧⒓舆^(guò)美國(guó)的氫彈研制，和氫彈總設(shè)計(jì)師泰勒關(guān)系不錯(cuò)。他在泰勒等人的幫助下，用位于核基地的當(dāng)時(shí)最好的計(jì)算機(jī)模擬了中子星的坍縮。模擬結(jié)果表明，坍縮成暗星是完全可能的。于是包括惠勒在內(nèi)的一些物理學(xué)家重新開(kāi)始了對(duì)暗星的研究。1967年，惠勒把這類(lèi)暗星命名為“黑洞”，于是黑洞一詞開(kāi)始在物理界、天文界流傳，并逐漸在公眾中傳播開(kāi)來(lái)。

廣義相對(duì)論預(yù)言，時(shí)空彎曲的地方時(shí)間會(huì)走得慢。愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論的時(shí)候就指出，由于太陽(yáng)表面的時(shí)空彎曲程度比地球附近大，所以放置在太陽(yáng)表面的鐘會(huì)比地球上的鐘走得慢，因此太陽(yáng)那里氫原子發(fā)出的光，在地球上的人看來(lái)會(huì)發(fā)生紅移。天文觀(guān)測(cè)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言（參見(jiàn)2016年第6期本專(zhuān)欄“引力紅移”——編者注）。

廣義相對(duì)論的研究表明，黑洞附近的時(shí)空彎曲程度非常厲害。放置在黑洞附近的鐘，在地球上的人看來(lái)，簡(jiǎn)直慢到了幾乎不走的程度。放置在那里的光源發(fā)出的光，紅移幾乎趨于無(wú)窮大，也就是說(shuō)光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)幾乎趨于無(wú)窮大。

如果有一艘飛船飛向黑洞，地球上的人將看到，飛船越接近黑洞，就飛得越慢，飛船上的人的動(dòng)作也越來(lái)越緩慢，逐漸趨于僵化。而且，由于時(shí)間變慢的作用，飛船的顏色也越來(lái)越紅。最后飛船“凍結(jié)”在了黑洞的表面上，但看不見(jiàn)它進(jìn)入黑洞。這些現(xiàn)象都是由于越靠近黑洞的地方時(shí)空彎曲得越厲害，在地球人看來(lái)，那里的時(shí)間進(jìn)程越來(lái)越慢所造成的。

那么飛船能否進(jìn)入黑洞呢？實(shí)際上，覺(jué)得飛船進(jìn)不了黑洞，是遠(yuǎn)方觀(guān)測(cè)者（例如地球上的人）看到的景象。但是，遠(yuǎn)方觀(guān)測(cè)者看到的時(shí)間進(jìn)程，并不是飛船上的人真實(shí)經(jīng)歷的時(shí)間。飛船上的宇航員沒(méi)有覺(jué)得自己的時(shí)間變慢，他覺(jué)得自己在正常地生活、操作，飛船正常地趨近黑洞，并且正常地進(jìn)入了黑洞。那么外面的人怎么看到他沒(méi)有進(jìn)入黑洞呢？那是因?yàn)樗膱D像留在了洞外。我們?cè)诮淌依锟匆粋€(gè)同學(xué)走出門(mén)去，他的背影一閃就從門(mén)處消失了。這是因?yàn)榻M成他背影的光子，一下子都飛向了各方，包括飛到我們的眼中，在門(mén)口處沒(méi)有遺留下背影的光子。黑洞處的情況與此大不相同，那里時(shí)空彎曲得極其厲害，飛船進(jìn)入黑洞時(shí)，組成它背影的光子被滯留在黑洞表面附近，只能一點(diǎn)一點(diǎn)地往外跑，越跑越稀，要經(jīng)過(guò)無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間才能逐漸跑完。所以，遠(yuǎn)方的觀(guān)測(cè)者將看到飛船的背影滯留在那里，飛船似乎沒(méi)有飛進(jìn)去。但由于背影的光子越來(lái)越稀，遠(yuǎn)方的人將看到背影逐漸變暗，逐漸消失在黑洞附近的黑暗中。

前面說(shuō)到，宇航員覺(jué)得自己的飛船正常地進(jìn)入了黑洞，那么，他的遭遇又如何呢？研究表明，黑洞內(nèi)部有一個(gè)奇特的性質(zhì)，那就是“時(shí)空坐標(biāo)互換”。在黑洞內(nèi)部，原來(lái)用于表示半徑的徑向坐標(biāo)r變成了時(shí)間，原來(lái)的時(shí)間t卻變成了空間坐標(biāo)。時(shí)間與空間不同，它有流逝性，有方向性。那么時(shí)間，的方向指向哪里呢？物理學(xué)家們認(rèn)為，黑洞是由致密的星體（例如中子星）坍縮形成的，形成黑洞的一瞬間，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向是朝向星體中心（r=0處）的，所以，作為黑洞內(nèi)部的時(shí)間參量r，它的指向應(yīng)該朝向r=0的“球心”。然而，由于，已不再是空間坐標(biāo)，不再是半徑，所以r=0也就不能再稱(chēng)為球心。那里，實(shí)際上是時(shí)間的“終點(diǎn)”，是時(shí)間終結(jié)的地方。

由于時(shí)間的流逝是不可抗拒的，進(jìn)入黑洞的飛船將不能停留，會(huì)不可避免地奔向時(shí)間的終點(diǎn)r=0處。其實(shí)，任何進(jìn)入黑洞的物質(zhì)都必須奔向該處。所以，黑洞內(nèi)部，除去r=0那一點(diǎn)之外，全部都是真空。物質(zhì)全部聚集于r=0處，那里物質(zhì)的密度為無(wú)窮大。研究表明，在r=0處，時(shí)空的曲率也是無(wú)窮大，因此這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為“時(shí)空奇點(diǎn)”。圖1給出了球?qū)ΨQ(chēng)黑洞的結(jié)構(gòu)圖。這里畫(huà)出的球?qū)ΨQ(chēng)黑洞（又稱(chēng)史瓦西黑洞），是一種最簡(jiǎn)單的黑洞。黑洞的表面r=2GM/c2，被稱(chēng)為事件視界，或者簡(jiǎn)稱(chēng)視界。

在黑洞內(nèi)部，由于，表示時(shí)間，所以等，面不再是球面，而是“等時(shí)面”，等，面上的各點(diǎn)，處在相同的時(shí)刻。由于時(shí)間的流逝是不可抗拒的，只能從“過(guò)去”流向“未來(lái)”，因此等，面成了單向膜。所以，如上所說(shuō)，進(jìn)入黑洞內(nèi)部的物質(zhì)，只能向r=0的方向跑，不能停留，更不能向，增大的方向跑。這一方面導(dǎo)致除去奇點(diǎn)r=0處之外，黑洞內(nèi)部整個(gè)是真空，另一方面導(dǎo)致洞內(nèi)物質(zhì)不可能往外跑，更不可能跑出洞外。所以黑洞是一顆只進(jìn)不出的星，任何物質(zhì)都可以掉進(jìn)去，但任何東西都不能跑出來(lái)。

研究表明，進(jìn)入黑洞的飛船，會(huì)很快到達(dá)奇點(diǎn)。廣義相對(duì)論認(rèn)為，奇點(diǎn)處于時(shí)間之外，所以進(jìn)入黑洞的飛船和任何其他物質(zhì)，都將很快處于時(shí)間之外?！皶r(shí)間之外”是什么意思，現(xiàn)在還不清楚。

太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，半徑大約3千米，進(jìn)入這種黑洞的飛船，用不了1秒鐘就會(huì)到達(dá)奇點(diǎn)，處于“時(shí)間之外”。當(dāng)然，巨大的黑洞，例如星系級(jí)質(zhì)量的黑洞（大約含幾百億、上千億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量），進(jìn)去的飛船和物質(zhì)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能抵達(dá)奇點(diǎn)，但這仍是一個(gè)有限的時(shí)間。

那么，進(jìn)入黑洞的飛船上的宇航員能看到什么呢？能有什么感受呢？研究表明，飛船上的人看不到前方的奇點(diǎn)，也得不到來(lái)自前方的任何信息，因?yàn)椤扒胺健钡男畔⒅挥心嬷鴷r(shí)間前進(jìn)，才能抵達(dá)宇航員的眼中，而逆著時(shí)間前進(jìn)是不可能的。宇航員只能感到周?chē)娜f(wàn)有引力越來(lái)越強(qiáng)、潮汐力越來(lái)越大?？拷纥c(diǎn)時(shí)，集中于奇點(diǎn)附近的巨大質(zhì)量，施加于宇航員和飛船的潮汐力會(huì)非常大，所以，宇航員和他的飛船都將在很短的時(shí)間內(nèi)，被巨大的潮汐力撕碎，壓入奇點(diǎn)，在那里處于時(shí)間之外。