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黑洞(一):恒星的致命吸引
Black Holes I:The Fatal Attraction of Stars

九十九年前,当欧洲斗志昂扬地投入自相残杀的狂欢中时,三十六岁的阿尔伯特·爱因斯坦把他写的一篇文章投稿给一份科学杂志,其中包含了广义相对论的最终方程式。他不会想到,这些方程式会让后人发现多少非同寻常的未知现象。

这些方程式是复杂的,爱因斯坦对于找到正解也不抱期待。然而,仅仅几周后的1916年1月,他收到了一位德军炮兵中尉的来信,信中写道:“您会看到,这场战争提供了足够的便利,足以让我即使在机枪扫射之下,也得以深入您思想的疆域。”写信人是卡尔·史瓦西 ,他宣称自己找到了爱因斯坦方程式的精确解。四个月后,卡尔·史瓦西因为在俄国前线染上疾病而离世。

他提出的解描述了一个有质量球体(比如地球或者一个恒星)周围的空间。如果球体的质量大到一定程度,就会产生引力,也就是学校里教的,牛顿在三个世纪前描述的引力。如果球体被压缩,爱因斯坦的这些方程描述的力就会比牛顿的力更加强烈,它造成的一个影响就是钟表会逐渐变慢。但是在史瓦西得出的精确解中有一个奇怪之处:如果球体的体积压缩到极其小,根据这个解,将会出现一个球面,在这个球面上,所有钟表都会停下来,时间将完全凝固。

这是什么意思呢?

在爱因斯坦犯下的许多错误中,其中一个便是,他坚称这个今天我们称为史瓦西界面或视界的球面是永远不会出现的。爱因斯坦写了一篇文章,宣称史瓦西解中描述的那些物体是不可能存在的。这篇文章是错误的。随着其他理论家加入讨论,许多困惑产生了。要了解在史瓦西界面上到底发生了什么,我们需要等到20世纪60年代,数学家和物理学家们开始解开谜团,发现该界面不是不可通过的极限。实际上,它可以被轻而易举地穿越。

它事实上是一个区域的极点,重力在那里极其强大,任何物体甚至光线都无法逃逸。

约翰·惠勒 ,凭着他在文字上的天赋,为这个现象找到了一个合适的名字:黑洞。黑洞是一个区域,那里质量被无限压缩,然后向内坍缩,没有什么能逃脱它巨大的引力,包括光线。光线遇上史瓦西界面就会被陷在那里,动弹不得,逃脱不了,凝固住了。没有什么能逃脱黑洞;所有一切都可以被吸入其中。

这个问题更像学术问题而非科学问题,因为“史瓦西界面”要想存在,就要求天体压缩到难以置信的程度。举例而言,我们所在的这颗行星如果要变成一个黑洞,它的全部质量需要被压缩进一个直径只有一厘米的弹珠中。

当然了,压缩到这种程度的实体在宇宙中实际并不存在。当然了,想要将地球挤压成比一个乒乓球还小的东西是荒唐的,至少在当时人们看起来是这样。

20世纪70年代末,我在大学学习广义相对论的时候,教科书上关于黑洞的那章说,它们不过是个数学上的有趣概念,“在真实的世界它们是不存在的”。

教科书经常犯错,这就是其中一个例子。

早在1972年,天鹅座上一个致密的黑暗物体就激起了天文学家的好奇心。它后来被称为天鹅座X-1。还有另外一颗恒星围绕它高速运行。约翰·惠勒写道,黑洞就像一个穿着黑色衣服的男人,在一个昏暗的房间,同一个白衣女人跳华尔兹舞。我们知道它在那里,只是因为我们能看到一颗明亮的星星绕着它旋转。

天文学家集中力量研究天鹅座X-1。他们观察到,绕天鹅座X-1运行的星星会发出极其明亮的光,而这光一旦靠得足够近,就会被虚空吞噬。之后不久,其他相似的物体也被识别和研究。关于这个现象的其他解释逐渐被排除,人们终于得出了那个不可避免的结论:宇宙中充满了黑洞。据估计,仅在我们的银河系中,就有数千万个和天鹅座X-1相似的黑洞。

但人们的发现还不止于此。20世纪30年代初,跨越大西洋的通信受到一种不明来源的无线电波干扰。1974年,科学家们意识到,这些电波的源头在地球之外,它们是从人马座上发出的,那是我们银河系的中心所在。所有观察都集中在这个源头,它被称为人马座A*,慢慢地,一个惊人的发现浮出水面:在我们银河系的中心存在一个巨大的黑洞。它的质量比太阳大几百万倍。周围有无数恒星围绕它运行。不时地,恒星中的一个就会因为太过靠近这个骇人的银河系中的波吕斐摩斯 而被吞噬,就像一条小鱼被一头鲸吞掉那样。

今天,天文学家布下了一个巨大的无线电天线网络,从北极延伸到南极,取道落基山脉和安第斯山脉,它应该能够“看到”环绕着这个怪物的炽热区域,在那里,恒星不可控制地和星尘及各种残渣卷到一起,在地狱般的骚乱中形成了一个强烈的涡旋,而后暴跌进一口黑色的井中。

在几乎所有已知的星系中心,都观测到了类似的巨大黑洞。一些黑洞的食量很大,不停地吞掉数量巨大的恒星和星际气体。跌进其中的物质剧烈地沸腾,温度可以达到数百万摄氏度,产生巨大的能量射线,点亮了星系之间的太空。

我们在宇宙中观察到的最激烈的事件,比如过去被称作类星体的那些强烈而神秘的信号,就是由这些“巨人”产生的,有时它的亮度堪比一整个由万亿颗恒星组成的星系。你能想象一个比太阳大十亿倍的怪物释放的星系风暴吗?

(《24小时太阳报》周日版2014年8月10日) pObfsRuYzb+YCwgmOSEuHYcUpq1UHf+DP6iaDgqZwpyYOEL9ScVyHZHdbh2grD9r

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