第8章 人类需要破解宇宙天书(7)

为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出其边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的成功的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间（合起来叫作时空）是怎样因大质量物体的存在而畸变了的。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动，在科幻小说和影片中普遍使用的“空间翘曲”一词就是对比原理的表达。

让我们看一看爱因斯坦是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽和高）是现实世界中的第四维（难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但让我们尽力去想像）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床面上放块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理，宇宙中的大质量物体将使宇宙结构受到畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比一个或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

如果一个网球在一张完全绷紧了的平坦的弹簧床面上滚动，它将沿一直线路径前进。反之，如果将它送到绕经一个下凹的地方，则它将沿一弧形路径前进。同理，天体穿行于时空的平坦区域（较少的重物质）时继续沿直线路径前进，而那些穿越弯曲区域（有较多重物质）的天体将沿弯曲的轨迹前进。

现在再来看看黑洞对于其周围时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的圆石头代表这一超密的黑洞，自然，这将大大地影响床面，不仅其表面要弯曲下陷，还将断裂。类似的情形将在宇宙中出现，若宇宙中某处存在有黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂称作时空的奇异性或奇点。

现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，将掉进由大圆石头造成的洞那样，一个经过黑洞近旁空间的物体也将被其陡峭的引力陷阱所捕获。

你能向黑洞靠得多近而不被它永远地抓住呢？答案是相当近。被黑洞吸入不能再返回的那一点叫作黑洞的视界，它是距黑洞中心一定距离叫做史瓦西半径的一个球壳。此半径的长短只与黑洞的质量有关。例如，一个太阳质量的黑洞其史瓦西半径不到3公里，只要离开其中心3公里以外，就没有危险，从黑洞旁边走过去不会被抓住。

一旦你进入了视界，便逃脱不了被黑洞擒获的命运——你将一直下落到时空奇点所在处——黑洞的中心，不过几分之一秒的一瞬间，你就会被那里无穷大的引力弄得粉身碎骨。

我们已经说过，没有任何进入黑洞的东西能再逃离它，但科学家们却认为黑洞会缓慢地释放其能量。这是怎么一回事呢？著名的英国物理学家霍金（Stephen Hawking）在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，比深空的温度要高一些。一切比其周围较温暖的物体都要释放出热量，黑洞也不例外，一个典型的黑洞将在几百万万亿（1018）年内蒸发光（释放出它全部的能量）。黑洞释放能量有个恰当的名称：霍金辐射。

“黑洞”这个词虽然是公众最熟悉的天文名称之一，但并不能因此就认为对黑洞的存在已无争议了。在一个较长时间里，黑洞只被认为是一个假想的物体和数学的构思，被看成是比较难的大学生练习题稍难一点的东西。

但近年来，关于在空间存在着黑洞的证据越来越多。这些证明不是直接的——黑洞终究是看不见的——而是通过物质落进黑洞的视界后发出的辐射间接得知的。用这种方法探测黑洞，就好像通过观察火焰的影子，发现炉灶中燃烧着的炭块一样。

天文学家们几年前就猜测位于室女座星系团内，距离我们约5000多万光年的星系M87（1764年，法国天文学家梅西耶编制的星云和星团的星表中的第87号天体。）的中心有巨大黑洞。1994年夏天，HST获得了该星系中心存在着超大质量黑洞的可靠证据。空间望远镜上的广视场照相机摄取的照片表明在M87的中心附近有大量发光的气体以非常大的速度运动着。计算表明，M87具有这样大的运动速度的原因，是由于存在着一个被压缩在几千亿公里大小区域里的20亿倍太阳质量的致密物质。而如此巨大的物质密度强烈地表明M87的核心确实隐匿着一个超大质量黑洞。

许多理论工作者都认为银河系的中心也隐藏着一个超大质量黑洞，但至今还未像M87那样获得较确凿的证据。科学家们希望HST能帮助解决这一问题。

2.黑洞与量子力学

20世纪的最初30年出现了三种理论，它们强烈地改变人们对物理和实在本身的观点。这三种理论是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1915年）以及量子力学理论（大约1926年）。阿尔伯特·爱因斯坦是第一种理论的主要创建者，是第二种理论的单独创建者，并且在第三种理论的发展中起过重要的作用。因为量子力学具有随机的和不可确定性的因素，所以爱因斯坦从未接受它。他的态度可用他经常被引用的“上帝不玩弄骰子”的陈述来总结。然而，由于不管是狭义相对论还是量子力学都能够描述可被直接观察的效应，所以绝大多数物理学家欣然同意，接受它们。而另一方面，由于广义相对论似乎在数学上过于复杂，不能在实验室中得到检验，而且是似乎不能和量子力学相协调的纯粹经典的理论，所以它在大部分场合没有受到理会。这样，在几乎半个世纪的岁月里，广义相对论一直处于沉闷的状态。

从20世纪60年代初开始的天文观测的伟大扩展，发现了许多新现象，诸如类星体、脉冲星和紧致的X射线源。这一切表明非常强大的引力场的存在，这种引力场只能由广义相对论来描述，所以对广义相对论的经典理论的兴趣又被重新唤起。类星体是和恒星相似的物体，如果它们处于由它们的光谱的红化所标志的那么遥远的地方，则必须比整个星系还要亮好几倍。脉冲星是超新星爆发后快速闪耀的残余物，它被认为是超密度的中子星。紧致的X射线源是由外空飞行器上的仪器所揭示的，也可能还是中子星或者是具有更高密度的假想的物体，也就是黑洞。

物理学家在把广义相对论应用到这些新发现的或者假想的物体时，所要面临的一个问题是，要使它和量子力学相协调。在过去的几年中有了一些发展，使人们产生了一些希望，也就是不必等太久的时间我们将获得一种完全协调的量子引力论，这种理论对于宏观物体和广义相对论相一致，而且可望避免那种长期折磨其他量子场论的数学上的无穷大。这些发展就是最近发现的和黑洞相关的某些量子效应，它们为在黑洞和热力学定律之间提供了令人注目的联结。

华盛顿大学的詹姆斯·巴丁，现在任职于莫尔顿天文台的布兰登·卡特和霍金，推广了黑洞性质和热力学定律之间的相似性。热力学第一定律说，一个系统的熵的微小改变是伴随着该系统的能量的成比例的改变。这个比例因子被称作系统的温度。巴丁·卡特和霍金发现了把黑洞质量改变和事件视界面积改变相联系的一个类似的定律。这里的比例常数牵涉到称为表面引力的一个量，它是引力场在事件视界的强度的测度。如果人们接受事件视界的面积和熵相类似，那么表面引力似乎就和温度相类似。可以证明，在事件视界上所有点的表面引力都是相等的，正如同处于热平衡的物体上的所有地方具有相同的温度。这个事实更加强了这种类比。

虽然在熵和事件视界面积之间很明显地存在着相似性，对于我们来说，如何把面积认定为黑洞的熵仍然不是显然的。黑洞的熵是什么含义呢？1972年雅各布·柏肯斯坦提出了关键的建议。他那时是普林斯顿大学的一名研究生，现在任职于以色列的涅吉夫大学。可以这么进行论证。由于引力坍缩而形成一颗黑洞，这颗黑洞迅速地趋向于一种稳定状态，这种状态只由三个参数来表征：质量、角动量和电荷。这个结论即是著名的“黑洞无毛定理”。它是由卡特、阿尔伯特大学的外奈·伊斯雷尔、伦敦国王学院的大卫·C·罗宾逊和霍金共同证明的。

无毛定理表明，在引力坍缩中大量的信息被损失了。例如，最后的黑洞和坍缩物体是否由物质或者反物质组成，以及它在形状上是球形的还是高度不规则的都没有关系。换言之，一颗给定质量、角动量以及电荷的黑洞可由物质的大量不同形态中的任何一种坍缩形成。的确，如果忽略量子效应的话，由于黑洞可由无限大数目的具有无限小质量的粒子云的坍缩形成，所以形态的数目是无限的。

然而，量子力学的不确定性原理表明，一颗质量为m的粒子的行为正像一束波长为h/mc的波，这里h是普朗克常数（一个值为6.62×10-27尔格·秒的小数），而C是光速。为了使一堆粒子云能够坍缩形成一颗黑洞，该波长似乎必须比它所形成黑洞的尺度更小。这样，能够形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的形态数目虽然非常巨大，却可以是有限的。柏肯斯坦建议说，人们可把这个数的对数解释成黑洞的熵。这个数目的对数是在黑洞诞生时在通过事件视界坍缩之际的不可挽回的信息丧失的量的测度。

柏肯斯坦的建议中有一个致命的毛病，如果黑洞具有和它的事件视界面积成比例的熵，它就还应该具有有限的温度，该温度必须和它的表面引力成比例。这就意味着黑洞能和具有不为零温度的热辐射处于平衡。然而，根据经典概念，黑洞会吸收落到它上面的任何热辐射，而不能发射任何东西作为回报，所以这样的平衡是不可能的。

直到1974年初，当霍金根据量子力学研究物质在黑洞邻近的行为时，这个迷惑才得到解决，他非常惊讶地发现，黑洞似乎以恒定的速率发射出粒子。正如那时候的任何其他人一样，他接受黑洞不能发射任何东西的正统说法。所以他花了相当大的努力试图摆脱这个令人难堪的效应。它拒不退却，所以他最终只好接受了它。最后使霍金信服它是一个真正的物理过程的是，飞出的粒子具有准确的热谱，黑洞正如同通常的热体那样产生和发射粒子，这热体的温度和黑洞的表面引力成比例并且和质量成反比。这就使得柏肯斯坦关于黑洞具有有限的熵的建议完全协调，因为它意味着能以某个不为零的温度处于热平衡。

从此以后，其他许多人用各种不同的方法确证了黑洞能热发射的数学证据。以下便是理解这种辐射的一种方法。量子力学表明，整个空间充满了“虚的”粒子反粒子对，它们不断地成对产生、分开，然而又聚到一块并互相湮灭。因为这些粒子不像“实的”粒子那样，不能用粒子加速器直接观测到，所以被称作虚的。尽管如此，可以测量到它们的间接效应。由它们在受激氢原子发射的光谱上产生的很小位移（蓝姆位移）证实了虚粒子的存在。现在，在黑洞存在的情形，虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞中去，留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。这被背弃的粒子或者反粒子，可以跟随其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到无穷远去，在那里作为从黑洞发射出的辐射而出现。

另一种看待这个过程的方法是，把落到黑洞中去的粒子对的成员，譬如讲反粒子，考虑成真正地在向时间的过去方向旅行的一颗粒子。这样，这颗落入黑洞的反粒子可被认为是从黑洞跑出来但向时间过去旅行的一颗粒子。当该粒子到达原先该粒子反粒子对产生的地方，它就被引力场散射，这样就使它在时间前进的方向旅行。

因此，量子力学允许粒子从黑洞中逃逸出来，而经典力学却不允许。然而，在原子和核子物理学中存在许多其他的场合，有一些按照经典原理粒子不能逾越的壁垒，按照量子力学原理的隧道效应可让粒子通过。

围绕一颗黑洞的壁垒厚度和黑洞的尺度成比例。这表明非常少的粒子能从一颗像假想在天鹅X-1中存在的那么大的黑洞中逃逸出来，但是粒子可以从更小的黑洞迅速地漏出来。仔细的计算表明，发射出的粒子具有一个热谱，其温度随着黑洞质量的减小而迅速增高。对于一颗太阳质量的黑洞，其温度大约只有绝对温度的千万分之一度。宇宙中的辐射的一般背景把从黑洞出来具有那种温度的热辐射完全淹没了。另一方面，质量只有十亿吨的黑洞，也就是尺度大约和质子差不多的太初黑洞，会有大约1200亿度开文芬的温度，这相当于一千万电子伏的能量。处于这等温度下的黑洞会产生电子正电子对以及诸如光子、中微子和引力子（引力能量的假想的携带者）的零质量粒子。太初黑洞以60亿瓦的速率释放能量，这相当于六个大型核电厂的输出。