仍然是外行的資料堆積，請內行多多指教（希望得到內行指導）
黑洞
絕對引力
最常見(jiàn)的東西往往最易被忽視，即便它對維持正常世界不可或缺，也不免如
此。引力就是最佳例證。若非三百年前有只蘋(píng)果掉下來(lái)砸在一個(gè)偉大的腦袋上，
人類(lèi)認識引力恐怕還要多費些時(shí)日。
假定有一臺引力調節機，撥動(dòng)其旋鈕就能改變引力的大小，我們就會(huì )看到許
多有趣的事。引力接近于0的狀況，經(jīng)?？梢詮碾娨暽峡吹剑汉教祜w機上的宇航員
們，像慢鏡頭似地漂來(lái)漂去。假如他們不慎打翻了一杯茶，茶水就會(huì )在表面張力
的作用下形成圓形的水滴，在空中跳動(dòng)。此時(shí)引力若恢復到1g（即地球表面重力
），宇航員就會(huì )重重地跌到地板上，隨之而來(lái)的還一陣茶雨。
宇航員在失重的太空中待久了，回到地面時(shí)就會(huì )很不適應，覺(jué)得全身沉重，
走不動(dòng)路，往往要鍛煉好幾個(gè)月才能恢復。同樣，如果把引力調節機的旋鈕調到
3g或4g，我們這些人也會(huì )動(dòng)彈不得，連移動(dòng)一只腳也很費力。引力再強的話(huà)，大
多數人都會(huì )吃不消的，還是趕快離開(kāi)為妙。
引力達到1000g時(shí)，樹(shù)木就會(huì )被自身重量壓扁；100萬(wàn)g時(shí)，石頭也支撐不住而
粉碎了，一切我們熟悉的東西都不能幸存，只有光線(xiàn)看上去還是直的——就人類(lèi)
分辨能力而言，基本上還是直的。引力達到10億g時(shí)，不可思議的事情發(fā)生了：原
來(lái)筆直射向天空的光束出現了明顯的彎曲。
如果引力繼續加大，光線(xiàn)就會(huì )彎曲得如此厲害，以至于逆轉回來(lái)射向地面。既然
連光都不能逃脫引力的束縛，其它東西就更休想了。如果這時(shí)有誰(shuí)不慎接近這片
引力范圍，就會(huì )陷進(jìn)來(lái)再也出不去。一個(gè)具有如此強大引力的天體，將是一個(gè)對
任何事物都只吞不吐的魔怪，一個(gè)無(wú)底的黑洞。
黑暗的邊界
黑洞也許是20世紀最重要的預言之一，如果編撰一本“百年預言”，黑洞是
絕對不應被遺漏的。然而，很不幸只是預言而已，算作“百年發(fā)現”有點(diǎn)勉強，
因為我們還沒(méi)有找到什么確鑿無(wú)疑的證據表明黑洞確實(shí)存在。
嚴格說(shuō)起來(lái)，黑洞的設想并非在20世紀才出現。早在1783年，英國英文學(xué)家
約翰·米歇爾就考慮過(guò)有這種東西存在。1798年，法國著(zhù)名的數學(xué)家兼天文學(xué)家
拉普拉斯提出，根據萬(wàn)有引力定律計算，一個(gè)直徑比太陽(yáng)大250倍、密度與地球相
當的恒星，其引力場(chǎng)將強得足以俘獲它所發(fā)出的所有光線(xiàn)，從而成為暗天體。
愛(ài)因斯坦提出廣義相對論后，德國天文學(xué)家K·史瓦西于1916年提出了廣義相
對論球對稱(chēng)引力場(chǎng)的嚴格解，并在其中提出了黑洞設想。他認為，在高致密天體
或大質(zhì)量天體周?chē)骋粎^域內，逃逸速度等于光速，任何物質(zhì)和輻射都不能逸出
。
1939年，美國物理學(xué)家?jiàn)W本海默根據廣義相對論證明，一顆質(zhì)量足夠大的恒
星（超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的3.2倍），在自身引力的作用下，將能坍縮到它的引力半徑范
圍內，它發(fā)射出的光線(xiàn)或其它粒子，都不能逃出這個(gè)范圍。20世紀60年代，美國
物理學(xué)家惠勒將這種天體命名為黑洞。從此這個(gè)名字就叫開(kāi)了。
黑洞并不是黑的，也不是一個(gè)空洞。它是一個(gè)實(shí)在的天體，如果我們能有特別豁
免權，能進(jìn)入黑洞的引力范圍而不被撕碎，就會(huì )看到黑洞里面并不黑：逃逸不出
去的光線(xiàn)，在里面四處亂轉，把各處都照得亮晃晃的。
黑洞的基本定義是，它是一個(gè)具有封閉視界的天體，外來(lái)的物質(zhì)和輻射能進(jìn)
入視界以?xún)?，但視界內的任何物質(zhì)都不能跑到外面。這個(gè)視界就是黑洞的邊界。
如果能夠在外部從容地觀(guān)察，我們就會(huì )看到一片有邊界的絕對黑暗，完全像一個(gè)
洞。
恒星的末日
銀河系中閃爍著(zhù)約1000億顆恒星的光芒，它們中的每一個(gè)都必將面臨末日的
到來(lái)。引力是始終存在的，但太陽(yáng)的熱核反應支持著(zhù)太陽(yáng)的外層，使悲劇性的重
力坍塌延遲數十億年到來(lái)。當氫消耗完之后，氦就繼續聚變產(chǎn)生碳，碳又聚變成
新的元素。元素越重，產(chǎn)生的能量愈少、消耗愈快，恒星就這樣每況愈下地揮霍
自身的燃料。
當元素都聚變?yōu)殍F的時(shí)候，核反應就到了極限。鐵原子核是最穩定的，要讓它繼
續聚變，不僅不能產(chǎn)生能量，反而要消耗巨大的能量。這時(shí)，恒星的生命也到頭
了。在瀕死之際，恒星將進(jìn)行一次超新星爆發(fā)，轟轟烈烈地結束自己的生命。不
過(guò)，小質(zhì)量恒星還堅持不到這一階段，在氦開(kāi)始燃燒的時(shí)候，它們就面臨困境，
產(chǎn)生超新星爆發(fā)。
在爆發(fā)中，大量物質(zhì)被拋向星際，組成新的天體，原來(lái)恒星的中心剩下一個(gè)致密
的物質(zhì)核。小質(zhì)量恒星留下的是白矮星，它靠從原子核中脫離出來(lái)的電子壓力來(lái)
支撐，維持著(zhù)平穩存在。大質(zhì)量恒星則留下一顆中子星，它靠中子間的斥力抵消
重力的影響。
然而，如果中子星的質(zhì)量足夠大，斥力就會(huì )抵抗不住重力，從而發(fā)生猛烈坍縮，
目前物理學(xué)家還沒(méi)想出有什么辦法能使中子星免于這種命運。于是，引力愈來(lái)愈
強，最終，光線(xiàn)彎曲的程度如此嚴重，以致無(wú)法離開(kāi)這個(gè)天體的表面。每一條發(fā)
出的光線(xiàn)，都像我們在地面上向上扔出的石子一樣，都被引力拉了回來(lái)。黑洞就
這樣產(chǎn)生了。
據認為，具有足夠質(zhì)量的恒星大約占總數的1/1000，而這些大質(zhì)量星中又只
有1/1000能在超新星爆發(fā)后還會(huì )留下足夠的物質(zhì)，最終形成黑洞。然而即使如此
，我們的銀河系里也應該存在上百萬(wàn)個(gè)黑洞。如果真是這樣的話(huà)，它們在哪里呢
？
尋找黑洞
既然黑洞不發(fā)出任何輻射、不拋出任何物質(zhì)，用一般方式直接觀(guān)測黑洞當然
是不可能的。此外，盡管其引力場(chǎng)對鄰近區域十分強大，但在星際距離上，其引
力并不比普通恒星更強。所以通過(guò)引力觀(guān)察它們也不現實(shí)。
但在某些情況下，黑洞會(huì )在一些特殊的條件下存在，因而可能被探測到。假
設一個(gè)黑洞是一個(gè)雙星系統的一部分，與其伴星共同繞同一引力中心轉動(dòng)，該伴
星是一顆普通的恒星。如果黑洞與其伴星靠得非常近，那么伴星上的物質(zhì)就會(huì )一
點(diǎn)一點(diǎn)被黑洞奪過(guò)去，并形成一個(gè)環(huán)繞黑洞的物質(zhì)盤(pán)，被稱(chēng)為吸積盤(pán)。吸積盤(pán)里
的物質(zhì)會(huì )沿螺旋軌道落入黑洞，并在進(jìn)入黑洞的過(guò)程中放射出X射線(xiàn)。這些X射線(xiàn)
或許可間接地證明黑洞的存在。
1965年，人們在天鵝座探測到一個(gè)特別強的X射線(xiàn)源，將它命名為天鵝X-1。
據推測，它大約距離我們1萬(wàn)光年。1970年，世界第一顆X射線(xiàn)觀(guān)測衛星“烏呼魯
”（斯瓦希里語(yǔ)“自由”的意思）升空，它發(fā)現天鵝X-1與其它X射線(xiàn)源不同，它
忽隱忽現，頻率快達每秒1000次，而且射線(xiàn)強度變化沒(méi)有規律。這種不規律的變
化，正是物理學(xué)家預料物質(zhì)從吸積盤(pán)進(jìn)入黑洞時(shí)將發(fā)生的狀況。
人們立即對天鵝X-1進(jìn)行了仔細的搜尋，在它鄰近的地方發(fā)現了一顆質(zhì)量約為
太陽(yáng)30倍的熾熱藍色超巨星。經(jīng)證實(shí)，這顆藍星與天鵝X-1互相繞著(zhù)對方旋轉。從
種種跡象來(lái)看，天鵝X-1體積非常小，密度遠遠超過(guò)中子星，似乎就是我們預想中
的黑洞。天文學(xué)界并沒(méi)有普遍接受這一假設，但大多數人相信，天鵝X-1將是第一
個(gè)被證認的黑洞。此后，天蝎V861、仙后A等星體也被猜想是黑洞，但是并沒(méi)有得
到確認。
1999年美國宇航局發(fā)射“錢(qián)德拉”X射線(xiàn)望遠鏡，探測到一顆超新星周?chē)镔|(zhì)噴
出的大量X射線(xiàn)，科學(xué)家據此認為，這顆超新星中央存在黑洞。該望遠撞拍攝的另
一張照片，顯示了一個(gè)遙遠類(lèi)星體噴射出的X射線(xiàn)流達20萬(wàn)光年之遠，其噴射出的
能量可能相當于10萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)釋放能量的總和?？茖W(xué)家認為，這樣巨大的能量是
從類(lèi)星體中央的一個(gè)超大規模黑洞附近發(fā)出的。
黑洞似乎最可能在恒星最密集和大塊物質(zhì)可能聚集在一起的地方形成。由于球狀
星團、星系核的中心區域具有這種特點(diǎn)，天文學(xué)家越來(lái)越相信，這種星團或星系
的中心存在黑洞。有科學(xué)家認定，我們的銀河系中心就有一個(gè)巨大的黑洞，其質(zhì)
量相當于1億顆恒星，占銀河系總質(zhì)量的1/1000，直徑為太陽(yáng)的500倍。如果恒星
接近它的速度足夠快，也許會(huì )被它一口整個(gè)吞掉。
垃圾站與發(fā)電廠(chǎng)
沒(méi)有一種天體比黑洞更能說(shuō)明引力的威勢了。關(guān)于黑洞，曾有一個(gè)絕妙的假
想實(shí)驗：想象有一小球，譬如普通的臺球，從遠處落入黑洞。它鉆入黑洞的視界
后，便會(huì )從我們眼前消失，再也找不回來(lái)。但是，它在黑洞的結構中會(huì )留下曾經(jīng)
存在的一絲痕跡。黑洞吞沒(méi)了這個(gè)球后，會(huì )稍稍變大一點(diǎn)。計算表明，小球將直
接落入黑洞中心，黑洞增加的質(zhì)量完全等于小球的質(zhì)量，任何能量或質(zhì)量都沒(méi)有
損失出去。
我們來(lái)考慮另外一個(gè)實(shí)驗。同樣用一個(gè)小球，但它不是自由落體式地落向黑
洞，而是系在一根帶子上，緩緩向黑洞沉降。把這根帶子穿過(guò)滑輪，連到一個(gè)可
使帶子放松的滾筒上。小球落向黑洞時(shí)會(huì )放出能量，通過(guò)與滾筒連在一起的發(fā)電
機的轉動(dòng)，可將能量轉化為電能。簡(jiǎn)單的計算表明，在理想情況下，小球落入黑
洞，可使發(fā)電機產(chǎn)生的電能，相當于小球全部靜止質(zhì)量的能量。一個(gè)重100克的臺
球，落入黑洞后可以輸出10億度電，這比恒星的熱核反應要強多了。即發(fā)電系統
的效率不高，導致能量損失，這樣輸出的能量仍是可觀(guān)的。
為黑洞命名的物理學(xué)家惠勒曾假想，有那么一個(gè)文明世界，由于對能量的需求不
斷增加，人們便放棄了自己的恒星，在一個(gè)黑洞附近住下來(lái)。每天，這個(gè)社會(huì )產(chǎn)
生的各種廢物被裝上卡車(chē)，并經(jīng)過(guò)一條經(jīng)仔細設計的軌道送入黑洞。這樣，廢物
就一勞永逸地處理掉了。下落的廢物釋放出巨大能量，又可為文明世界提供能源
。因此，這一過(guò)程具有徹底銷(xiāo)毀一切垃圾和把它們完全轉變成能量?jì)纱髢?yōu)點(diǎn)，不
會(huì )有環(huán)境污染，也不會(huì )有能源危機。
當然，這一圖景是太理想了，只能想想而已。利用物質(zhì)落入黑洞時(shí)釋放的引力能
，實(shí)際操作起來(lái)會(huì )有許多困難，即使能夠實(shí)現，也肯定不是在可預見(jiàn)的將來(lái)。
時(shí)空極限
黑洞里面是一種什么情景？如果有一位倒霉的宇航員，在駕駛飛船經(jīng)過(guò)某個(gè)
黑洞時(shí)不慎離它近了些，結果被引力拉入黑洞，在此過(guò)程中他會(huì )看到些什么呢？
黑洞的邊界并不是一種物質(zhì)存在，那里并沒(méi)有一層真正的“隔膜”，就像光
明與黑暗的分界處并沒(méi)有隔膜一樣。這位宇航員在落入黑洞的視界時(shí)，并不會(huì )看
到什么特別與眾不同的情景。他還可以看見(jiàn)外部區域，因為外面的光線(xiàn)仍能進(jìn)入
黑洞。然而，我們永遠也見(jiàn)不到他了。
當宇航員越來(lái)越深入黑洞時(shí)，引力場(chǎng)變得更強了，而且會(huì )使他的身體變形。
徜若他下落時(shí)腳在前面，那么雙腳就比頭更接近引力中心，所受的引力更強些。
結果，他的腳受到的向下拉的力將比頭更厲害，這樣一來(lái)他就拉長(cháng)了。與此同時(shí)
，他的雙肩會(huì )沿著(zhù)向中心會(huì )聚的方向拉向黑洞中心，也就是肩膀受到向里的擠壓
。這個(gè)過(guò)程很像做拉面。
理論研究表明，在黑洞中心，引力的增強是沒(méi)有上限的。因為引力場(chǎng)表現為
時(shí)空的彎曲，所以，隨著(zhù)引力的不斷增強，時(shí)空扭曲也就無(wú)止境地越來(lái)越厲害。
在黑洞中心，將是一個(gè)時(shí)空的奇點(diǎn)。它代表時(shí)間與空間的邊緣，穿過(guò)這個(gè)邊緣，
正常的時(shí)空概念將不復存在。許多物理學(xué)家深信，這個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)是名副其實(shí)的時(shí)
空終結處，與它相遇的任何物質(zhì)都將完全湮滅。如果確實(shí)如此，組成宇航員身體
的原子將在1納秒的超級拉面過(guò)程中在奇點(diǎn)里化為烏有。
如果黑洞質(zhì)量為1000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量（我們銀河系中心的那個(gè)黑洞就是這樣），
這位宇航員從視界沒(méi)向奇點(diǎn)的過(guò)程大概是3分鐘。如果是1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量這樣的小黑
洞，從視界到奇點(diǎn)的旅程只需要幾微秒。
雖然對這位宇航員而言，毀滅前的時(shí)間只是一瞬，但從遠處看來(lái)，黑洞的時(shí)
間扭曲使宇航員最后的旅程表現為一種慢動(dòng)作。當宇航員接近視界時(shí)，在他附近
的事件發(fā)生的過(guò)程對遙遠的觀(guān)測者來(lái)說(shuō)似乎變得越來(lái)越慢。事實(shí)上，他好像經(jīng)經(jīng)
歷無(wú)限長(cháng)的時(shí)間才能到達視界。所以，宇航員在這短暫的死亡之疾奔中，經(jīng)歷了
相當于外部宇宙無(wú)窮無(wú)盡的時(shí)間。從這個(gè)意義上說(shuō)，黑洞是通往宇宙盡頭的門(mén)檻
，是一條宇宙死胡同，代表再也沒(méi)有通路的最終實(shí)體。
黑洞是包含了時(shí)間盡頭的狹小空間區域。誰(shuí)要是對宇宙盡頭感到好奇的話(huà)，只要
跳進(jìn)一個(gè)黑洞便可得到親身體驗。
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