黑洞的出現(xiàn)標(biāo)志著引力在恒星一生中的引力控制作用取得了最后勝利……恒星的一生就是對(duì)自身重量的持久、拼死的反抗。持久，是因?yàn)楹阈窃谘莼拿總€(gè)階段都能有新的能源維持自己；拼死，是因?yàn)檫@個(gè)抗?fàn)幾⒍ㄒ ；蜻t或早，引力終將戰(zhàn)勝，恒星終將塌縮。
——【法】天文學(xué)家盧米涅（J.P.Luminet）
“宇宙中有沒有什么東西質(zhì)量大到會(huì)吸引一切物體，甚至光也不能從他的吸引束縛中逃脫出來(lái)?！?/p>
18世紀(jì)后期（法國(guó)大革命時(shí)期），法國(guó)著名的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯——就是那個(gè)當(dāng)拿破侖問，他的著作中為什么沒看到上帝，他回答：“陛下，我不需要這個(gè)假設(shè)”耿直的科學(xué)家，在思考這個(gè)問題。那時(shí)候根據(jù)牛頓光理論，光是粒子，并且有一定的運(yùn)動(dòng)速度。人們會(huì)自然而然的認(rèn)為光粒子有質(zhì)量，雖然這個(gè)質(zhì)量小到無(wú)法測(cè)量。那么根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律可以推導(dǎo)出某一天體的逃逸速度為：
只要將光速和萬(wàn)有引力常數(shù)帶入到公式中，就可以推測(cè)出一類能把發(fā)出的光吸引回來(lái)的天體。1796年，拉普拉斯在他的《宇宙體系論》中這樣記述：
天空中存在著黑暗的天體，像恒星那樣大，或許也像恒星那樣多。一個(gè)具有與地球同樣的密度而直徑為太陽(yáng)250倍的明亮星球，它發(fā)射的光將被它自身的引力拉住而不能被我們接收。
盡管“黑洞”一詞遲至1968年才由美國(guó)天體物理學(xué)家惠勒（J.A.Wheeler）在一次講座中首先提出。但拉普拉斯描述的正是人們最早的關(guān)于黑洞猜想的模型。為了與以后“黑洞”相區(qū)別，我們稱之為“黑暗星”。黑暗星發(fā)出的光全部被自身吸引回去，所以，我們是看不到它的。
1915年12月，愛因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表才剛過一個(gè)月，德國(guó)天文學(xué)家卡爾.史瓦西（K.Schwarzschild）就根據(jù)廣義相對(duì)論得出了一個(gè)球狀物體周圍引力場(chǎng)的特解。其時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)，史瓦西應(yīng)征入伍，他從前線將論文寄給愛因斯坦，1916年1月13日愛因斯坦在柏林普魯士科學(xué)院代表史瓦西做了論文報(bào)告。并在愛因斯坦給史瓦西的回信中贊揚(yáng)：“我沒料到有人能用如此簡(jiǎn)潔的方法得出這個(gè)問題的精確解，您對(duì)問題的解析處理令我極為滿意。”4個(gè)月后，史瓦西在軍隊(duì)病逝。愛因斯坦痛惜地寫道：“無(wú)可挽回的死亡帶走了他，然而他的著作仍然活著，并給他貢獻(xiàn)了全部力量的這門科學(xué)帶來(lái)碩果。”（《愛因斯坦文集》一卷）
拉普拉斯與史瓦西
史瓦西解：
這個(gè)解告訴我們：如果致密天體的全部質(zhì)量壓縮在某一半徑內(nèi)，它周圍的空間就會(huì)彎曲成任何物質(zhì)和輻射（光）都逃不出來(lái)。這個(gè)半徑我們稱之為黑洞“視界”，視界范圍內(nèi)時(shí)間和空間都將失去原本意義，所有測(cè)量將會(huì)失效，也就是說(shuō)現(xiàn)存物理定律在視界內(nèi)毫無(wú)意義，時(shí)間將趨于無(wú)限，距離則變成0。視界不是物理實(shí)體，它只具有幾何位置意義。黑洞物質(zhì)全部集中于視界內(nèi)中心幾何點(diǎn)，我們稱之為“奇點(diǎn)”。
如果將太陽(yáng)的全部質(zhì)量都?jí)嚎s到半徑2.95千米范圍內(nèi)，太陽(yáng)就成了黑洞。如果把地球壓縮成8.9毫米，它也將變成黑洞。
值得注意的是，用拉普拉斯逃逸速度的概念也能推導(dǎo)出史瓦西解（維基百科有詳解），但拉普拉斯“黑暗星”和“史瓦西黑洞”有本質(zhì)的不同。不同之處在于：黑暗星是光粒子逃出有飛回；而黑洞則是光子根本不能離開視界，最多也只能貼著視界表面運(yùn)動(dòng)。物理解釋的差異根本原因還是因?yàn)榕ｎD的經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論原理的不相容性。
在微博上關(guān)于光逃逸問題，我曾用拉普拉斯逃逸速度概念給網(wǎng)友解釋，這是偷懶的辦法，雖然好理解，但失之于過于簡(jiǎn)單。
另外，史瓦西解為了簡(jiǎn)便推導(dǎo)，忽略了黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)因素。1962年新西蘭物理學(xué)家科爾（R.P.Kerr）給出了因轉(zhuǎn)動(dòng)而非球形的黑洞視界半徑，稱為科爾黑洞。科爾黑洞更接近于物理真實(shí)。
黑洞模型有4個(gè)基本形式：1、史瓦西黑洞——無(wú)電荷、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的球?qū)ΨQ黑洞。2、有電荷、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的球?qū)ΨQ黑洞——雷斯勒-諾斯特諾姆黑洞。3、無(wú)電荷、有轉(zhuǎn)動(dòng)的科爾黑洞。4、有電荷、有轉(zhuǎn)動(dòng)的科爾-紐曼黑洞。
無(wú)論是拉普拉斯還是史瓦西、科爾等人，他們的黑洞都是大腦+筆+紙+一張平靜的書桌的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，物理學(xué)家比數(shù)學(xué)家更關(guān)心“黑洞形成的物理機(jī)制是什么？它存在嗎？”
史瓦西時(shí)代，太陽(yáng)被壓縮成3千米是不可想象的神話，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，“這只是數(shù)學(xué)游戲而已?！奔词沟搅?917年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天狼星的伴星是一顆高密質(zhì)的白矮星（密度是水的250萬(wàn)倍）。但要使之成為黑洞這還不夠，必須將密度在加大1000億倍，無(wú)論如何這是令人難以接受的。即使時(shí)后來(lái)量子力學(xué)問世，能夠用簡(jiǎn)并（維基百科有解釋）概念和引力塌縮加以解釋，也還不能使大多數(shù)科學(xué)家信服。被譽(yù)為“世界上真正懂廣義相對(duì)論的三個(gè)半人”之一的愛丁頓更認(rèn)為：“必定有一條未知的自然定律，會(huì)阻止恒星塌縮為黑洞這種荒唐行為。”
1939年奧本海默等人通過廣義相對(duì)論計(jì)算了無(wú)熱核反應(yīng)的大質(zhì)量“冷”恒星得出結(jié)論：在引力最終擊敗中子簡(jiǎn)并壓力后，恒星會(huì)塌縮至史瓦西半徑以內(nèi)，物質(zhì)連同時(shí)空將塌縮到任何物質(zhì)與能量都不能逃脫的范圍之內(nèi)，它們將再無(wú)阻礙地集中到一個(gè)體積為零、密度為無(wú)限大的幾何點(diǎn)——奇點(diǎn)。這種狀態(tài)下，天體將失去任何與外界做任何形式的交流的可能性，而成為黑洞。
奇點(diǎn)史瓦西半徑與黑洞
這種能令“冷”恒星塌縮成黑洞的質(zhì)量最小值稱為奧本海默極限，開始估計(jì)為3倍的太陽(yáng)質(zhì)量。
當(dāng)時(shí)觀測(cè)宇宙中的恒星大多數(shù)都在奧本海默極限之上，甚至有100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，那么它們是不是都能演化成黑洞呢？未必。因?yàn)楹阈且簧卸荚诓粩嗟膩G失自己的質(zhì)量，尤其是到了超新星爆發(fā)階段更是會(huì)炸散很多物質(zhì)，質(zhì)量如果太大，甚至?xí)慌e全部炸開而分崩離析，不能形成黑洞。如果無(wú)論恒星開始時(shí)質(zhì)量有多大，最終都會(huì)將質(zhì)量丟失到三倍太陽(yáng)質(zhì)量以下，那么，就不可能形成黑洞。反之，則一部分恒星最終會(huì)演化成黑洞。還有一種形成機(jī)制是“雙星系統(tǒng)”，其中一顆成為高密質(zhì)中子星后會(huì)掠奪另一顆伴星的物質(zhì)，質(zhì)量不斷增大而形成黑洞。
下一步天文學(xué)家的熱情就全部集中在“找黑洞”競(jìng)賽中了。
1967年，發(fā)現(xiàn)脈沖星并確定其為中子星后，理論物理學(xué)家預(yù)言的恒星歸宿白矮星被找到了；中子星又被找到了；誰(shuí)現(xiàn)在還能說(shuō)“黑洞不存在呢？”天文學(xué)家的找黑洞熱情被進(jìn)一步激發(fā)。
黑洞是看不見的，但這難不倒科學(xué)家們。通過理論計(jì)算，和合理的物理猜想。他們發(fā)現(xiàn)找黑洞都兩條路徑。1、追蹤黑洞強(qiáng)大的引力場(chǎng)所帶來(lái)的引力透鏡效應(yīng)（維基百科有解釋）。2、追蹤黑洞在吞噬外界物質(zhì)時(shí)向外輻射的強(qiáng)烈的電磁波。
第一條引力效應(yīng)之路上，天文學(xué)家把目光對(duì)準(zhǔn)了五車二附近御夫座星，中文名“柱一”。另外還有食雙星天琴座β星，中文名“漸臺(tái)二”，以及其他。
第二條輻射之路中，通過各國(guó)科學(xué)家的努力，現(xiàn)在已經(jīng)找到了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的X射線源。人們把目光集中于它們中最有希望的17個(gè)射電源，希望能甄別出黑洞。
有人估計(jì)銀河系應(yīng)該有100萬(wàn)個(gè)恒星級(jí)黑洞，可是我們的候選者卻寥寥無(wú)幾，這也從另一方面說(shuō)明“找黑洞”步履維艱。
天文學(xué)家們一邊干著“找黑洞”這個(gè)體力活，天體物理學(xué)家們也沒閑著，他們通過數(shù)學(xué)運(yùn)算和非凡的想象力已經(jīng)在為黑洞做素描了。
1、視界：彭羅斯定義為，“所有試圖逃出去的光子統(tǒng)統(tǒng)都被引力拉回的最后邊界”；霍金定義為，“空間中是否有能力向遙遠(yuǎn)宇宙發(fā)送事件信息的最后邊界?！边@兩個(gè)定義是等價(jià)的。史瓦西半徑把整個(gè)宇宙分成兩部分，視界之外是我們能看到的“正常宇宙”，通過光信號(hào)，理論上可以在任意距離上發(fā)生聯(lián)系。視界之內(nèi)，任何物質(zhì)和輻射都不能從視界囚籠中逃脫，中心奇點(diǎn)體積為0，密度無(wú)限大，時(shí)空無(wú)限彎曲，因此時(shí)空這個(gè)概念將變得面目全非。視界內(nèi)光線向奇點(diǎn)聚焦，因此，任何兩個(gè)光子路徑也不會(huì)產(chǎn)生交叉，也就肯定不存在“信息交換”。任何越過視界的物質(zhì)，都無(wú)一例外地奔向奇點(diǎn)，有多少吃多少，那可真正是個(gè)“無(wú)底深淵”。
2、引潮力，關(guān)于引潮力和洛希極限，有興趣讀者可以自己找資料看看。我們這里只說(shuō)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，10倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞對(duì)于普通密度的物體，洛希極限是400萬(wàn)千米。落入這一范圍的宇航員將被斯成碎片。假設(shè)宇航員真有無(wú)限的“剛性”，能抗住引潮力拉扯（那可是個(gè)很大的數(shù)字）一頭栽進(jìn)黑洞，他也將在到達(dá)奇點(diǎn)時(shí)被拉成無(wú)限長(zhǎng)。
3、時(shí)空特性，黑洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向單一指向奇點(diǎn)，所以空間是一維的；時(shí)間雖然仍然需要保持因果關(guān)系而不能顛倒，但時(shí)間出現(xiàn)了盡頭，達(dá)到奇點(diǎn)意味著時(shí)間結(jié)束。從視界到奇點(diǎn)這段“緩死”時(shí)間長(zhǎng)短不一，10倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞為0.001秒級(jí)，星系級(jí)別的巨型黑洞可以長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)。
4、黑洞無(wú)毛和黑洞蒸發(fā)，“黑洞無(wú)毛”是天體物理學(xué)家惠勒提出的，開始這個(gè)詞因?yàn)橛猩楹x而被很多人拒絕，后來(lái)慢慢地說(shuō)的人多了，概念也就抽象成不具有其詞匯表面含義了，被大家所接受?！昂诙礋o(wú)毛”不只是指黑洞幾何形狀的完全對(duì)稱性。描述一般物體會(huì)有很多參數(shù)，如，質(zhì)量、光度、電磁狀態(tài)、化學(xué)成分等等，而黑洞卻是簡(jiǎn)單的，它最多只有質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷3個(gè)參數(shù)。真是“簡(jiǎn)單的和1一樣”。
5、1974年，坐在輪椅上的霍金根據(jù)量子場(chǎng)論提出，真空會(huì)不斷產(chǎn)生正、負(fù)粒子對(duì)，產(chǎn)生出以后又很快彼此湮滅了。時(shí)間極短，不能直接探測(cè)到，所以稱之為“虛粒子對(duì)”。1947年的蘭姆（W.E.Lamb）和庫(kù)什（P.Kusch）著名的“蘭姆位移”實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了這一理論。此二人因此獲得了1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
如圖，霍金認(rèn)為，黑洞周圍，虛粒子對(duì)會(huì)出現(xiàn)四種可能性：1、直接湮滅；2、雙雙掉入黑洞；3、正粒子落入黑洞，負(fù)粒子跑掉；4、負(fù)粒子落入黑洞，正粒子跑掉。第4種情況實(shí)現(xiàn)的概率最高。負(fù)粒子帶有負(fù)能量，落入黑洞后等效減少黑洞能量，逃脫的正粒子等效帶走能量。這就是黑洞蒸發(fā)。黑洞蒸發(fā)并不違背黑洞“不能逃逸”原則，但其結(jié)果是黑洞視界內(nèi)能量（質(zhì)能等價(jià)）減少，這樣黑洞就存在有限壽命。但黑洞蒸發(fā)的最后結(jié)果還無(wú)定論，也許要等未來(lái)的量子引力理論來(lái)揭示其最后命運(yùn)。
(作者：七是)
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