黑洞的研究過程以及意義

黑洞的研究過程以及意義1：引言長期以來，黑洞以它的神秘和怪異一直吸引和困擾著人們，黑洞究竟是什么呢？它是一個洞嗎？它黑嗎？它冷嗎？它內(nèi)部到底有什么?觀測到的大量間接征兆證實，黑洞在宇宙中普遍存在，但是我們無論如何也不能直接看到它。天文學(xué)家推測它可能來自于大恒星塌縮后質(zhì)量、密度變得很大而引力極強的核心；還有一些觀測證據(jù)表明，在許多星系的中心更是存在著超級大黑洞。人類雖然已擁有了先進的天文觀測設(shè)備，如具有靈敏感光器的大口徑光學(xué)望遠鏡，檢測細(xì)微電磁波信號的大型射電天文望遠鏡，在外層空間漫游的哈勃太空望遠鏡等，但是人們卻不能看到黑洞。2：黑洞的研究過程以及意義2.1黑洞的發(fā)現(xiàn)黑洞剛開始是英國一個地質(zhì)學(xué)家提出，由愛因斯坦預(yù)言，再由霍金用理論進行研究。1965年，人們在天鵝座探測到一個特別強的X射線源，將它命名為天鵝X-1。據(jù)推測，它大約距離我們1萬光年。1970年，世界第一顆X射線觀測衛(wèi)星“烏呼魯”（斯瓦希里語“自由”的意思）升空，它發(fā)現(xiàn)天鵝X-1與其它X射線源不同，它忽隱忽現(xiàn)，頻率快達每秒1000次，而且射線強度變化沒有規(guī)律。這種不規(guī)律的變化，正是物理學(xué)家預(yù)料物質(zhì)從吸積盤進入黑洞時將發(fā)生的狀況。人們立即對天鵝X-1進行了仔細(xì)的搜尋，在它鄰近的地方發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量約為太陽30倍的熾熱藍色超巨星。經(jīng)證實，這顆藍星與天鵝X-1互相繞著對方旋轉(zhuǎn)。從種種跡象來看，天鵝X-1體積非常小，密度遠遠超過中子星，似乎就是我們預(yù)想中的黑洞。天文學(xué)界并沒有普遍接受這一假設(shè)，但大多數(shù)人相信，天鵝X-1將是第一個被證認(rèn)的黑洞。此后，天蝎V861、仙后A等星體也被猜想是黑洞，但是并沒有得到確認(rèn)。1999年美國宇航局發(fā)射“錢德拉”X射線望遠鏡，探測到一顆超新星周圍物質(zhì)噴出的大量X射線，科學(xué)家據(jù)此認(rèn)為，這顆超新星中央存在黑洞。該望遠撞拍攝的另一張照片，顯示了一個遙遠類星體噴射出的X射線流達20萬光年之遠，其噴射出的能量可能相當(dāng)于10萬億個太陽釋放能量的總和?？茖W(xué)家認(rèn)為，這樣巨大的能量是從類星體中央的一個超大規(guī)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(qū)域具有這種特點，天文學(xué)家越來越相信，這種星團或星系的中心存在黑洞。有科學(xué)家認(rèn)定，我們的銀河系中心就有一個巨大的黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于1億顆恒星，占銀河系總質(zhì)量的1/1000，直徑為太陽的500倍。如果恒星接近它的速度足夠快，也許會被它一口整個吞掉。2.2黑洞的形成那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。我們曾經(jīng)比較詳細(xì)地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個值，那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。根據(jù)科學(xué)家計算,一個物體要有每秒中七點九公里的速度,就可以不被地球的引力拉回到地面,而在空中饒著地球轉(zhuǎn)圈子了.這個速度,叫第一宇宙速度.如果要想完全擺脫地球引力的束縛,到別的行星上去,至少要有11.2km/s的速度,這個速度,叫第二宇宙速度.也可以叫逃脫速度.這個結(jié)果是按照地球的質(zhì)量和半徑的大小算出來的.就是說,一個物體要從地面上逃脫出去,起碼要有這么大的速度?？墒菍τ趧e的天體來說,從它們的表面上逃脫出去所需要的速度就不一定也是這么大了。一個天體的質(zhì)量越是大,半徑越是小,要擺脫它的引力就越困難,從它上面逃脫所需要的速度也就越大.按照這個道理,我們就可以這樣來想:可能有這么一種天體,它的質(zhì)量很大，而半徑又很小,使得從它上面逃脫的速度達到了光的速度那么大。也就是說,這個天體的引力強極了,連每秒鐘三十萬公里的光都被它的引力拉住，跑不出來了。既然這個天體的光跑不出來,我們?nèi)徽劸涂床灰娝?所以它就是黑的了。光是宇宙中跑得最快的，任何物質(zhì)運動的速度都不可能超過光速.既然光不能從這種天體上跑出來,當(dāng)然任何別的物質(zhì)也就休想跑出來.一切東西只要被吸了進去，就不能再出來，就象掉進了無底洞,這樣一種天體，人們就把它叫做黑洞。2.3科學(xué)家對黑洞的認(rèn)識從大爆炸以來，宇宙中大約有1/4的射線是物質(zhì)掉進超大質(zhì)量黑洞時產(chǎn)生的。幾十年以來，科學(xué)家們一直試圖弄清楚黑洞——宇宙中最黑暗的物質(zhì)與如此數(shù)量眾多的射線之間有何關(guān)系。新的Chandra數(shù)據(jù)清楚地揭示了推動這一過程的原因：磁場。Chandra觀測到銀河系中存在一個被稱為GROJ1655-40的系統(tǒng)，這里有一個黑洞正在從一顆伴星體那里吸收物質(zhì)?！皯?yīng)該說J1655正好最我們的后院里，所以我們把它作為一個研究黑洞運行的模型，”密西根大學(xué)的JonM.Miller說。Miller關(guān)于這一現(xiàn)象的文章已刊登在6月22日出版的一期《自然》上了。如果僅僅只有引力的話，是不足以使黑洞周圍的吸積盤氣體失去能量并以我們觀測到的速度向黑洞墜落的。所以，這些氣體在墜入之前應(yīng)該已經(jīng)失去了軌道角動量；否則，物質(zhì)仍然可以環(huán)繞黑洞飛行好長一段時間。長期以來，科學(xué)家們認(rèn)為磁場星云會在氣體形成的吸積盤里產(chǎn)生一種摩擦力，從而形成一種將角動量推向外側(cè)的風(fēng)，使得這些氣體向黑洞墜落。利用Chandra，Miller發(fā)現(xiàn)了磁力在黑洞吸收物質(zhì)的過程中所起的作用。X射線光譜——不同能量級的X射線光譜，顯示J1655的吸積盤中風(fēng)的速度和密度與電腦模擬出來的磁力作用產(chǎn)生的風(fēng)一致?！?973年，理論家提出，氣體墜入黑洞時產(chǎn)生的磁場會生成大量的光線?！贝宋牧硪晃蛔髡?、麻省哈佛大學(xué)-史密森天體物理中心的JohnRaymond說，“30年之后的今天，我們最終找到了確定證據(jù)?！边M一步了解黑洞聚集物質(zhì)的過程，還有助于人們認(rèn)識黑洞其他方面的性質(zhì)?！罢缫粋€醫(yī)生想要了解某種疾病產(chǎn)生的原因、而不僅僅是它的癥狀一樣，天文學(xué)家們也希望能夠知道是什么原因促成了他們所看到的現(xiàn)象?！薄巴ㄟ^了解為什么物質(zhì)向黑洞墜落時會釋放能量，我們也可能推出物質(zhì)飛向其他星體時的情景?！背藢诙粗車奈e盤產(chǎn)生作用外，磁場還可能對幼年的恒星和被稱為中子星的高密度恒星周圍的吸積盤具有重要影響。獻，霍金教授也因此受到學(xué)術(shù)界的推崇，但他的新理論是否正確還要經(jīng)過多方的驗證。對于黑洞的研究也如是，從最初提出黑洞概念至今已經(jīng)有200多年的歷史，上世紀(jì)60年代開始的黑洞研究熱潮也已經(jīng)持續(xù)了近半個世紀(jì)，但時至今日黑洞仍然還是一個謎，人們相信黑洞的存在，期待著有一天能夠徹底破解黑洞之謎。2.4黑洞的物理性質(zhì)研究黑洞的性質(zhì)，有助于我們同時理解大爆炸奇點，因為他們之間實在是太相似了。廣義相對論預(yù)言，運動的有質(zhì)量的物體（光子等輕子是沒有靜止質(zhì)量的）會導(dǎo)致引力波的輻射，它是以光速傳播的空間——時間的漣漪。如同物體輻射出的光子帶走了它們的能量一樣，物體輻射出的引力波同樣將帶走它們的能量，因此物質(zhì)系統(tǒng)將最終會趨向于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。這好象往池塘里扔一塊木頭，使水面產(chǎn)生漣漪。漣漪將木塊的能量帶走，使木塊最終平靜下來。地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的引力波使地球能量損失，其軌道逐漸改變并最終落到太陽上，只是這種能量損失極小，要過一千億億億年才會相撞。當(dāng)恒星坍縮成黑洞時，運動會快得多，這時能量的損失也快得多，所以坍縮過程將很快達到不變的狀態(tài)。這種不變的狀態(tài)是如何的呢？由于坍縮之前的恒星的狀態(tài)是多種多樣的，包括它的物質(zhì)形態(tài)、質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度及恒星內(nèi)部的復(fù)雜運動等等，似乎對坍縮的最終狀態(tài)很難作出預(yù)言。加拿大科學(xué)家外奈·伊斯雷爾在1967年的研究非常出人意料。他指出：“根據(jù)廣義相對論，不旋轉(zhuǎn)的黑洞必須是非常簡單的、完美的球體，其大小只依賴于它們的質(zhì)量，并且任何兩個不旋轉(zhuǎn)的等質(zhì)量黑洞必定是完全相同的?！弊畛?，包括伊斯雷爾在內(nèi)的許多科學(xué)家認(rèn)為，既然黑洞只能是完美的球形，那么黑洞應(yīng)該由具有完美球形的物體坍縮而成。然而任何恒星都不是完美的球形，所以黑洞只能坍縮為一個點。而羅杰．彭羅斯等人提出了另外一種解釋：恒星坍縮的快速運動釋放出來的引力波使恒星越來越接近球形，當(dāng)它最終達到靜態(tài)時，就成為精確的球體。因此，“任何不旋轉(zhuǎn)的恒星，，無論其組成物質(zhì)、質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)果如何復(fù)雜，在其引力坍縮后都將終結(jié)于一個完美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質(zhì)量?！边@就是著名的“黑洞無毛”定理。這個觀點得到了進一步的計算支持，并很快為大家所接受。與此同時，新西蘭科學(xué)家羅伊．克爾計算出廣義相對論中描述旋轉(zhuǎn)黑洞的一族解。這些解表明，黑洞以恒常速度旋轉(zhuǎn)，其大小與形狀只依賴于它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度越快，黑洞的赤道部分就越鼓（這和地球、太陽等星體是一樣的）。如果旋轉(zhuǎn)為零，黑洞就是完美的球體。伊斯雷爾的發(fā)現(xiàn)其實就是克爾解中的特解。“黑洞沒有毛”意味著，物體復(fù)雜的和大量的特征信息在形成黑洞的過程中損失了。我們將在下章中理解它的意義。黑洞在科學(xué)史上是一個特殊的情形，它作為數(shù)學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展到極為詳盡的地步，但至今仍沒有100%肯定的觀測證據(jù)來證明它。1963年發(fā)現(xiàn)了一個暗淡的類星體紅移。這個紅移是如此之大，如果看作是引力紅移的話，那么它的質(zhì)量應(yīng)該很大，而且離我們很近，以致于會干擾太陽系的行星運動。所以它只能是宇宙膨脹引起的紅移。紅移很大則說明它離我們很遠。如果在這么遠的距離還能被我們觀察到，那么它一定非常亮，也就是說它必須輻射出大量的能量。這么大的能量不可能僅僅是一個恒星發(fā)出的，它很可能是一個星系整個中心區(qū)域的引力坍縮。人們發(fā)現(xiàn)了很多這樣的類星體，但它們都離我們非常遠，由于很難觀測而不能為黑洞提供結(jié)論性的證據(jù)。1967年中子星的發(fā)現(xiàn)為證明黑洞的存在帶來了鼓舞。因為中子星的半徑約10英里，只是黑洞坍縮臨界半徑的幾倍而已。恒星能坍縮到更小尺度應(yīng)該是理所當(dāng)然的。由于光線無法從黑洞中逃逸，因此觀測黑洞有些象在漆黑的夜里尋找黑貓。但值得慶幸的是，黑洞的引力效應(yīng)仍將作用到其臨近的星體上。人們觀測到一些伴星系統(tǒng)是由一顆可見恒星和一顆不可見恒星互相圍繞旋轉(zhuǎn)組成。這類系統(tǒng)中的有一些是強X射線源。對這種現(xiàn)象最好的解釋是，物質(zhì)從可見星的表面被吹起來并落向不可見的伴星，這些物質(zhì)在強大的引力作用下發(fā)展成螺旋軌道（如同水從浴缸中流出的情形），同時變得非常熱而發(fā)射出X射線。這顆不可見伴星必須小到象白矮星、中子星或黑洞那樣，才能引發(fā)上述機制?！疤禊ZX-1”就是這樣一個伴星系統(tǒng)。通過對其可見星軌道的研究，科學(xué)家們推算出了不可見星的最小質(zhì)量--大約是太陽的6倍。按照強德拉塞卡的結(jié)果來看，它只能是一個黑洞。宇宙漫長的歲月中，許多恒星應(yīng)該已經(jīng)耗盡了燃料并且坍縮了。黑洞的數(shù)目甚至比可見星還要多得多。以我們的銀河系為例，巨大數(shù)量的黑洞的額外引力就可以解釋為何銀河系會有如此的轉(zhuǎn)動速率，僅考慮可見星的質(zhì)量是不足夠的。某些證據(jù)說明，銀河系中心有非常巨大的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的10萬倍。恒星若是太靠近這個黑洞，它近端和遠端的引力差就會將它撕開，并被黑洞吸引而落到上面去。雖然落到黑洞上的物質(zhì)沒有象“天鵝X-1”那樣熱到發(fā)出X射線，但可以用來說明在銀河系中心觀測到的非常緊致的射電源和紅外線源。在類星體的中心被認(rèn)為是質(zhì)量更大的黑洞，大約是太陽質(zhì)量的1億倍。當(dāng)物質(zhì)旋轉(zhuǎn)落入黑洞時，它將使黑洞向同一方向旋轉(zhuǎn)，使黑洞產(chǎn)生強大的類似地球的磁場。落入黑洞的物質(zhì)會產(chǎn)生高能的粒子，它們在黑洞強磁場的作用下聚焦，形成沿黑洞北極和南極方向向外噴射的粒子流。在許多星系和類星體中我們觀測到了這種射流。也可能存在著比太陽質(zhì)量小得多的黑洞。它們由于低于強德拉塞卡極限而不可能由引力坍縮形成，只能由巨大的壓力壓縮而成。在早期宇宙的高溫高壓條件下會產(chǎn)生這樣的小黑洞。一個質(zhì)量在10億噸（一座大山的質(zhì)量）的太初黑洞可以由于對其它可見物質(zhì)的影響而被觀察到。2.5黑洞研究的意義沸騰的黑洞，你將把物理學(xué)引向何方?透過奇異的黑暗，輻射出新世紀(jì)的曙光。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理界出現(xiàn)了兩朵烏云：黑體輻射與邁克爾遜實驗。一年后，第一朵烏云降生了量子論，五年后，第二朵烏云降生了相對論。經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，又在這世紀(jì)之交，物理界又降生了兩朵烏云：奇點困難和引力場量子化困難。這兩個困難可能通過黑洞與大爆炸的研究而解決。基本粒子，天體演化，和生命起源是當(dāng)代自然科學(xué)的三大課題。黑洞與宇宙學(xué)的研究與基本粒子，天體演化有密切關(guān)系。特別是黑洞的研究涉及一些根本性的問題，有助于我們深入認(rèn)識自然界，因此，黑洞是本連載的重中之重。牛頓理論也曾預(yù)言過黑洞，將光作為粒子，當(dāng)光被引力拉回時，就成為一個黑洞。它與現(xiàn)代理論預(yù)言的黑洞不同，牛頓黑洞是一顆死星，是天體演化的最終歸宿。而現(xiàn)代黑洞，卻只是天體演化的一個中間階段，黑洞也在變化，甚至有些變化異常激烈。黑洞可以發(fā)光，放熱，甚至爆炸。黑洞不是死亡之星，甚至充滿生機。黑洞是相對論的產(chǎn)物，卻超出了相對論的范圍，與量子論和熱力學(xué)之間存在深刻的聯(lián)系。由天體演化形成的黑洞稱為常規(guī)黑洞。1972年，美國普林斯頓大學(xué)青年研究生貝肯斯坦提出黑洞"無毛定理"：星體坍縮成黑洞后，只剩下質(zhì)量，角動量，電荷三個基本守恒量繼續(xù)起作用。其他一切因素("毛發(fā)")都在進入黑洞后消失了。這一定理后來由霍金等四人嚴(yán)格證明。由此定理可將黑洞分為四類。(1)不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞。它的時空結(jié)構(gòu)于1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。(2)不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞，稱R-N黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。(3)旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞，稱克爾黑洞。時空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出。(4