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纽卡斯尔联 www.zdtmqb.com.cn   黑洞究竟隱藏著什么秘密




    一,黑洞的定義

    黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大于光速。黑洞無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與質量,并且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”,可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行軌跡取得位置以及質量。

    黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程:某一個恒星在準備滅亡,核心在自身重力的作用下迅速地收縮,塌陷,發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星體,同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下,由于恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而產生的引力,使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。

     二,黑洞到底是什么,人們是怎么發現它的。

    黑洞是一種并不算稀少的天體,它吸收一切東西,而且是有去無回,就算是一顆恒星接近黑洞,也會被黑洞的引力給撕碎,吸收進去。黑洞這個名詞的意義早就從天文學領域擴展到了我們的日常生活中了,我們習慣說某個東西,或者某個機構,甚至說某個人就是一個黑洞,意思就是從天文學的黑洞演化而來的。實際上,黑洞,Black Hole,這個名詞出現的時間并不算太久,它是在1967年由美國著名的物理學家約翰·惠勒提出來的,但是實際上人類認識到黑洞這種天體有可能存在,起碼是在理論上有存在的可能,已經有兩個多世紀的時間了。

    星際穿越電影中的黑洞

    我們說黑洞吸收一切物質,這和引力作用有關,也和人類對于光的本質的探索有關系。在18世紀晚期,當時牛頓已經去世半個世紀了,但是他所創建的牛頓力學體系仍然統治著整個物理學界,這個力學體系的核心就是萬有引力,質量越大的物體,引力越大。那么有人就思考,會不會存在一種引力特別大,讓一切物質都逃不掉的天體呢?不僅是這樣,在當時的物理學界還有一場持續了很久的大辯論,探討光到底是粒子還是波。

    牛頓在生前就一直堅持認為光是一種粒子,就是因為牛頓在科學界有著崇高的地位,所以在整個18世紀,光的“粒子說”一直占據上風。那按這個說法,光既然是一種粒子,它就有可能會受到重力的影響。

    再結合萬有引力的理論,就會引發一些人的思考了,比如說當時的法國物理學家皮埃爾·拉普拉斯和一位英格蘭的牧師幾乎不約而同地有了一個想法:會不會存在一種大質量,大密度的恒星,它的引力太大,就連光都沒法逃脫呢?要是這樣的話,那這個恒星不就是全黑的,完全看不見了嗎?這就是人類對于黑洞這種天體最早的一種想象。

    什么樣的天體,才會讓光都逃不出去呢?比如說距離我們最近的恒星太陽,當再過50億年,它的燃料都燒光了,就會坍縮成一個和地球差不多大小的白矮星,這時候它的引力就要比原來大多了,但還是不能限制住光從它的表面離開。

    但是再重一些,假如一顆恒星的質量達到了太陽的五倍,當它燃料耗盡開始坍縮的時候,它就會形成一個密度無窮大,有很強破壞性力量的點,我們稱為奇點,就連光都沒辦法逃出它的引力場。這樣的一種天體,我們以前叫它暗星,現在叫它黑洞。

    在宇宙中,很多黑洞都是由坍塌的恒星形成的,這就是我們主要探討的對象。

    我們說連光都沒法逃出黑洞的引力場,但黑洞這種強大的引力也是有界限的。任何物質,只要接近黑洞的奇點到了某一個距離之內,那它就再也不能逃離了。如果我們拿這個距離當半徑,就能以奇點為球心畫出一個球來,這個球面就叫做黑洞的視界。

    這個視界就把宇宙分成了兩個部分,在視界內部的光線永遠都沒法逃出來,因為越過這個界限的光線就相當于被黑洞所吸收,再也出不來了,你也就不可能看到它了。比如說在我們銀河系的中心就有一個超大型黑洞,它的視界半徑達到了1000萬英里,這么一個巨大的黑洞依靠自己的引力把整個銀河系的物質都維系在一起。

    就是因為黑洞有這樣的性質,所以這本書里邊的三個主角,也因此引發了黑洞戰爭。其中最重要的原因就在于黑洞它是一個宏觀物體,同時它又具有很多量子特性。這句話是什么意思呢?

    目前現代物理學有兩大支柱理論,一個是廣義相對論,它主要描述的是宏觀的物體,時空和物質之間的相互作用;另一個是量子理論,它描述的是微觀世界的運動規律。在平時的物理學研究里,這兩種理論互不干涉。但我們想要讓物理學繼續發展,就必須把這兩個理論結合在一起。

    宇宙星云中也許存在很多黑洞

    想要讓它們融合,就必須找到一種既是宏觀又是微觀的東西。聽起來挺矛盾的,而黑洞這種天體,恰好同時具有宏觀物體的形態和微觀量子理論的一些特性,可以說,兩種理論在這種天體上交匯了。

    在這種情況下,我們就看出研究黑洞的意義了。兩種理論在黑洞上都適用,那么我們理解了黑洞,就有可能可以找到一條融合兩種基本理論的方法。當然了,目前我們只能在理論上進行研究。

    霍金在1981年對其他兩個人發起了進攻,薩斯坎德形容說,這就像“一場奇襲”?;艚鸕墓鄣愫苊魅?,他認為在這種情況下就應該拋棄量子力學,因為它和廣義相對論有很多無法調和的矛盾,這就說明量子力學一定是有錯誤的。

    三,他為什么這么說呢

    因為黑洞是一個宏觀物體,這屬于廣義相對論的研究范圍,物理學家利用廣義相對論計算,得出的結論是:它是一切物質的終結。那也就是說,只要信息越過了黑洞的視界,就永遠不會再返回了,會永遠地消失。

    霍金曾經提出過一個理論,說黑洞有一個特性叫做“霍金蒸發”,意思是說,黑洞不是只會吸收外界的物質的,也會逐漸的向外輻射粒子,那既然有輻射,黑洞就會逐漸變小、消失,但即使整個黑洞都蒸發掉,它曾經吸收的那些信息也找不回來了。

    但是,“信息永遠消失了”這個結論,是和量子理論相違背的,因為量子力學里邊有一個最基本的定理叫做“信息不滅”。意思是說,從量子力學的角度來說,物理信息是永遠都不會丟失的。因此霍金認為,量子理論存在錯誤。

    他們認為,這場所謂的黑洞戰爭,也可以說是一場保衛量子力學的戰爭,絕對不能否定量子力學。在這一點上他們就有了根本性的沖突。

    你看,廣義相對論和量子力學,在黑洞這里就形成了尖銳的對立?;艚鶼嘈判畔⒈緩詼從澇凍緣?、消失了,而薩斯坎德和特霍夫特堅持認為,信息不會消失,但是又不知道該怎么反擊。薩斯坎德和特霍夫特各提出了幾種可能的解釋方法,但是都不夠充分。結果黑洞戰爭的雙方誰也沒法說服誰,陷入了一種僵持狀態。用薩斯坎德的說法,就是“黑洞戰爭是一場持久戰”。

    四,說了這么多,那這場爭論有什么意義呢?

    我們要知道,在科學研究中“解決”問題非常重要,但是“發現”問題,也同樣非常重要。這是一個能夠趕上普朗克、愛因斯坦、海森堡和過去其他物理英雄們成就的偉大機遇,因為他們發現了一個偉大的問題。就是說,如何解決物理學的兩大支柱理論,在黑洞上的矛盾。要解決這個問題,關鍵不是拋棄掉量子力學,而是要調和它和廣義相對論之間的矛盾。

    實際上,關于如何統一量子力學和廣義相對論,早就有物理學家進行這方面的嘗試了,想要把兩個理論結合成一個統一的“量子引力理論”,但是在這方面一直沒有什么進步。就連著名的物理學家理查德·費曼對此都持悲觀態度,認為實現兩種理論大統一的目標離我們太遙遠了,而且人們找不到研究的方向。

    在這種情況下,黑洞戰爭揭示出來的悖論,一下子就讓兩種理論短兵相接了。但即便如此,人們對這個問題的研究還是沒有進展,甚至物理學界對這個問題都不夠重視。讓這場黑洞戰爭從一開始,就陷入了僵持的持久戰。薩斯坎德統計了一下,雖然這場黑洞戰爭在1981年就開始了,但他發現在1981到1989年這八年之間,霍金沒有發表任何有關于黑洞的論文。

    物理學界沒有人在這個領域發表任何論文。這就表明,這個研究領域在這一段時間里完全被忽視了。但薩斯坎德認為,這個問題會在之后逐漸吸引學術界的重視。

    五,面對這么一個有著重要意義的難題,怎么解決呢?

    利用了量子力學發展過程中一個非常重要的原理,叫做“互補原理”。人類當時已經認識到,物質都有波動和粒子的兩面性,所以波爾就提出,一個物理學現象,只有在你觀測它的時候,它才成為一個現象,在你觀測它之前它是不存在的。比如說,你觀測一個粒子波動方面的性質,它就呈現出波動性;觀測它粒子方面的性質,它就呈現出粒子性——互補性原理給了薩斯坎德很大的啟發。

把互補原理應用到了黑洞信息丟失的悖論中,得出了一個非常驚人的解釋。

    比如說有東西從外界掉進了黑洞,如果有一個人在黑洞外面進行觀察,他會發現,在黑洞的視界,就是我們剛剛說受黑洞引力影響的那個球體,它的周圍有一個熾熱的表層,因為它能量相當的高,任何東西接觸到這個表層都會被吸收,然后逐漸蒸發,飛向外部空間,又會回到宇宙里。

    比喻說,這就像是有東西掉進了熱湯里,被熱湯蒸發掉了,那么這個東西的信息也就被蒸發物帶走了,并沒有消失。這個解釋聽上去還不奇怪,但是如果用上互補原理,就會有點不可思議了。這個意思是說,我們剛才說的是觀察者在黑洞外面,如果在黑洞內部還有一個觀察者,這個觀察者看到的就是完全不同的現象,他會看到在黑洞的視界附近什么都沒有發生,那個東西就是直接落進了黑洞里。

    你聽到這樣的解釋會不會覺得完全無法理解?為什么兩個觀察者會看到的會是完全不同的現象呢?黑洞把宇宙分成了兩個區域,也就是黑洞的視界里和視界外,這兩個區域屬于不同的時空,有著完全不同的因果關系,所以可以出現兩種不同的結果。這個解釋盡管看上去荒謬,但是它必定是對的。就像是大偵探福爾摩斯曾經說的:當你排除了所有不可能性的時候,不論剩下的有多不合理,它一定就是真相。

    所謂取得最后勝利,就是要通過黑洞的互補性原理,和現有的一些物理學理論相結合,最終探索出一條路。這條路就是我們剛剛說的,要能把量子力學和廣義相對論融合起來,最終得到一個大統一理論。只有達到這樣的一個目的,才能稱得上最終贏得了黑洞戰爭。薩斯坎德提出了“黑洞互補原理”,但是現在還只是一個想法,缺少數學基礎,還不是一個完整的理論。

    可以說人類到現在,在這方面和幾十年前相比研究進展仍然不大,而且在這兩個理論的交匯處:黑洞,關于它的性質人們至今仍然爭論不停,不斷產生出各種新的問題和悖論。

    六,黑洞演化過程

    1.吸積

    黑洞拉伸,撕裂并吞噬恒星

    黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。

    2.蒸發

    由于黑洞的密度極大,根據公式我們可以知道密度=質量/體積,為了讓黑洞密度無限大,而黑洞的質量不變,那就說明黑洞的體積要無限小,這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星,它的質量極大,體積極小。但黑洞也有滅亡的那天,按照霍金的理論,在量子物理中,有一種名為“隧道效應”的現象,即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強,但即使在能量相當高的地方,場強仍會有分布,對于黑洞的邊界來說,這就是一堵能量相當高的勢壘,但是粒子仍有可能出去。

    霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說,大黑洞溫度低,蒸發也微弱;小黑洞的溫度高蒸發也強烈,類似劇烈的爆發。相當于一個太陽質量的黑洞,大約要1x10^66年才能蒸發殆??;相當于一顆小行星質量的黑洞會在1x10-21秒內蒸發得干干凈凈。

    3.毀滅

    黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸,會噴射物體,發出耀眼的光芒。當英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金于1974年做此預言時,整個科學界為之震動?;艚鸕睦礪凼鞘芰楦兄淶乃嘉姆稍?,他結合了廣義相對論和量子理論,他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量。

    恒星被黑洞吞噬

    假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生,被創生的粒子就是正粒子與反粒子,而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生:兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞?!耙桓雋W穎晃牒詼礎閉庖磺榭觶涸諍詼錘澆瓷囊歡粵W悠渲幸桓齜戳W踴岜晃牒詼?,而正粒子會逃逸,由于能量不能憑空創生,我們設反粒子攜帶負能量,正粒子攜帶正能量,而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程,如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了,即黑洞的總能量少了,而愛因斯坦的質能方程E=mc2表明,能量的損失會導致質量的損失。

    當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,因為大黑洞輻射的比較慢,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。



網友熱評:宇宙無窮無盡。(熱評內容不代表我司觀點)


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