“黑洞”可以是什么形状?

“黑洞”很容易被想象成“大黑洞”,其实不然。所谓“黑洞”就是这样一个天体:它的引力场强大到连光都逃不掉。

根据广义相对论,引力场会弯曲时空。当恒星较大时,其引力场对时空的影响很小,恒星表面某一点发出的光可以直线向任意方向发射。恒星的半径越小,对周围时空的弯曲作用越大,在某些角度发出的光会沿着弯曲的空间回到恒星表面。

当恒星的半径小到一个特定值(天文学上称之为“史瓦西半径”)时,甚至连垂直面发出的光都被捕捉到了。这时,恒星变成了黑洞。说它“黑”,就是说它像宇宙中的无底洞。任何物质一旦掉进去,似乎都逃不掉。其实黑洞真的是“看不见”的,这个我们后面会讲到。

那么,黑洞是如何形成的呢?事实上,和白矮星、中子星一样,黑洞很可能是由恒星演化而来的。

我们已经详细介绍了白矮星和中子星的形成过程。当恒星老化时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),中心产生的能量也快用完了。这样,它就不再有足够的强度来承受外壳的巨大重量。因此,在外壳的沉重压力下,核心开始坍塌,直到最后形成一个小而致密的恒星,它能够再次平衡压力。

质量较小的恒星主要演化成白矮星,质量较大的恒星可能形成中子星。根据科学家的计算,中子星的总质量不可能大于太阳质量的三倍。如果超过这个值,就没有与自身引力抗衡的力,就会导致另一次大坍缩。

这一次,根据科学家的猜测,物质将无情地向中心点行进,直到成为一个体积为零、密度无穷大的“点”。而一旦它的半径收缩到一定程度(史瓦西半径),就像我们上面提到的,巨大的引力使得连光都射不出去,从而切断了恒星与外界的一切联系——一个“黑洞”诞生了。

与其他天体相比,黑洞太特殊了。比如黑洞具有不可见性,人们无法直接观察到,甚至科学家也只能对其内部结构做出各种猜测。那么,黑洞是如何隐藏自己的呢?答案是——弯曲空间。众所周知,光是直线传播的。这是一个基本常识。但是根据广义相对论,空间在引力场的作用下会发生弯曲。此时,虽然光仍然沿着任意两点间最短的距离传播,但不是直线,而是曲线。形象地说,似乎光本来应该是直线前进的,但是强大的引力把它拉离了原来的方向。

在地球上,因为引力场很小,所以这种弯曲很小。在黑洞周围,这种空间变形非常大。这样,即使恒星发出的光被黑洞遮挡,虽然一部分会落入黑洞消失,但另一部分光会在弯曲的空间中绕过黑洞到达地球。所以我们很容易观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样。这就是黑洞的隐形性。

更有趣的是,一些恒星不仅直接向地球发送光能,还会向其他方向发送光线,这些光线可能会被附近黑洞的强大引力折射而到达地球。这样,我们不仅能看到这颗星星的“脸”,还能看到它的侧面,甚至它的背面!

“黑洞”无疑是本世纪最具挑战性和最令人兴奋的天文理论之一。许多科学家都在努力揭开它的神秘面纱,新的理论不断提出。但是,这些当代天体物理学的最新成果,在这里不是三言两语就能说清楚的。感兴趣的朋友可以参考特别的作品。

黑洞

黑洞是一个引力很强的地方,任何东西都无法从中逃脱,即使是光。黑洞可以从大质量恒星的“死亡”中产生。当大质量恒星耗尽核燃料并达到最终演化状态时,恒星会变得不稳定,并在引力的作用下坍缩,死星的重量会被猛烈地向四面八方向内挤压。当引力大到没有其他斥力对抗时,恒星就会被压成一个孤立的点,称为“奇点”。

关于黑洞结构的细节可以通过爱因斯坦的广义相对论计算出来,广义相对论解释了引力使空间弯曲,时钟变慢。奇点是黑洞的中心,周围有很强的引力。通常,黑洞的表面被称为视界,或事件视界,或“静态球形黑洞的史瓦西半径”。它是那些时空事件之间的界限,这些时空事件可以与遥远的事件进行通信,而那些时空事件因为信号被强引力场捕获而无法传输。在事件视界之下,逃逸速度大于光速。这是一种尚未被人类观测和证实的天体现象,但已经被霍金等一些理论天文学家在数学模型中很好地研究过。

2004年7月21日,在爱尔兰都柏林举行的第17届广义相对论和引力国际会议(GR17会议)上,《时间简史》作者、英国剑桥大学传奇理论物理学家斯蒂芬·霍金向聚集在世界各地的科学家和记者宣布,他解决了物理学中的一个重要问题:黑洞是否毁灭。

在会议上,霍金就他的最新发现发表了演讲。他宣布推翻了自己几年前建立的著名黑洞理论,并重新探讨了信息守恒的问题。

霍金在演讲中说:“这个困扰了我30年的问题终于解决了,这太棒了。”他的相关论文将于近期发表,其中他将进一步解释他的新理论。

黑洞不打破因果律,不再能帮助我们通向其他宇宙。

斯蒂芬·霍金的演讲在整个物理学界引起轩然大波。加拿大滑铁卢大学物理系系主任罗伯特·曼博士与其他800名出席会议的物理学家一起聆听了霍金的演讲。

“听了他的演讲,几乎没有人能理解他说的话。大概只有霍金自己才懂这些东西。”罗伯特·曼评论了这个天才的演讲。让人联想到“世界上只有三个人懂相对论”的情况。

罗伯特·曼试图用生动而简单的语言解释霍金理论的不同之处。

“四十年前,人们开始认真思考黑洞。他们认为局外人(黑洞外的观察者)能从黑洞获得的唯一信息是质量、电荷和角动量。这意味着,如果你用任何物质制造一个黑洞,比如压碎的啤酒瓶、压扁的星星或其他东西,外人无法分辨黑洞内部是什么。”

“霍金30年前的理论认为,从量子力学的角度来看,黑洞是可以辐射的(也就是著名的霍金辐射)。由于量子效应,啤酒黑洞物质和恒星黑洞物质都开始辐射,开始蒸腾溢出。问题在于,霍金最初的计算表明,蒸腾作用完全是一种热效应,也就是说,它不应该包含任何信息——也就是说,啤酒黑洞物质和恒星黑洞物质的辐射没有区别。所以,当黑洞变得越来越小,最后蒸发到一无所有的时候,就意味着所有的信息都已经丢失了。此外,在变更结束时,不可能恢复这些信息。”

这个理论从诞生之日起就陷入了困境:它与许多科学家坚持的“信息守恒定律”相矛盾。这曾被称为“黑洞悖论”。

就像19世纪的科学家总结出能量守恒定律一样,20世纪的很多科学家提出了信息守恒理论——如果这个说法是真的,那么信息守恒定律无疑将成为科学界最重要的定律,或许比物质和能量守恒定律更加深刻。霍金的黑洞理论引起了关于“信息”是否在黑洞中的激烈争论。