黑洞是宇宙中最為奇特的物理現(xiàn)象之一,它密度巨大,引力驚人,即便是光也無法逃脫它的“勢力范圍”。黑洞里面是一個現(xiàn)實(shí)世界無法理解的地方,一切現(xiàn)有物理規(guī)律,無論是牛頓力學(xué)、相對論甚至那本身已經(jīng)足夠怪異的量子論對它都不適用?!昂诙础睙o疑是本世紀(jì)最具爭議的天文學(xué)說之一,有關(guān)黑洞新的理論不斷地提出,舊的理論不斷被否定,就連天才霍金也曾承認(rèn):“關(guān)于黑洞我可能弄錯了?!比欢诙催@個深奧難懂的話題卻吸引了無數(shù)人的好奇心,因?yàn)樗坪跖c我們的世界密切相關(guān)。請看以下幾則新聞報道。
新聞報道1:在浩瀚的銀河系的中心,有一個超級黑洞在不停地吞噬周邊的物質(zhì)。除此之外,銀河系中還有成百上千個中型黑洞,它們也在瘋狂地吸取物質(zhì)。人們擔(dān)心,總有一天,地球也會被黑洞吸進(jìn)去,人類及其創(chuàng)造的文明就再也回不來了……
新聞報道2:國外媒體報道,自從蒸汽機(jī)被發(fā)明以來,人類再一次研制出了在一些人眼中具備“摧毀地球”能力的科學(xué)機(jī)器,這就是大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)。這個關(guān)于“地球毀滅”故事源于大型強(qiáng)子對撞機(jī)的工作原理。粒子物理學(xué)家在對撞隧道內(nèi)加速粒子并進(jìn)行碰撞,產(chǎn)生出非常高的能量。當(dāng)這些粒子的質(zhì)量開始卷曲,并小于史瓦西半徑所要求的粒子質(zhì)量時,就會形成了一個微小的黑洞。人們擔(dān)心,這個似乎從潘多拉盒子中跑出的怪物開始一點(diǎn)點(diǎn)地吞噬周圍的物質(zhì),并逐漸長大,直到最后將地球徹底吞掉。
新聞報道3:英國《每日郵報》報道,俄羅斯宇宙學(xué)家維切列夫·道庫恰耶夫稱,盡管黑洞被認(rèn)為是太空中最具破壞性的力量,然而它內(nèi)部的環(huán)境條件卻適合生命存在,更令人震驚的是,擁有“超級文明”的外星人可能已存在于黑洞里。人們好奇,黑洞中真的存在高等生命嗎?
黑洞為何如此神秘?人們?nèi)绾文苡^測到黑洞?銀河中的黑洞離我們有多遠(yuǎn)?黑洞會吞噬地球嗎?黑洞內(nèi)部可能存在外星人嗎?本刊記者帶著這些問題采訪了北京師范大學(xué)物理系劉文彪教授,請他就上述問題從科學(xué)角度進(jìn)行了解讀。
黑洞為何如此神秘? 《百科知識》:在高深的天體物理科學(xué)中,“黑洞”似乎是我們最熟悉的詞語之一了,但仔細(xì)一想,卻好像又說不出個所以然來。黑洞到底是什么?
答:從天文學(xué)角度講,黑洞是一種非常神秘的天體:恒星級黑洞的體積很小,但密度卻大得驚人,每立方厘米就有幾百億噸甚至更高。由于它的密度大,所以引力也特別強(qiáng)大。不管什么東西,只要被它吸進(jìn)去,就別想“爬”出來,連速度最快的光也逃脫不掉黑洞的巨大引力。黑洞按其體積可分為大、中、小三類。我們常說的中型黑洞是大質(zhì)量恒星在生命終結(jié)時,經(jīng)歷爆發(fā)、內(nèi)陷和坍縮后留下的,它是恒星晚期演化的一種歸宿。而大型黑洞則存在于很多星系的核心中,包括銀河系。小黑洞是一種原初黑洞,可能形成于宇宙早期。小黑洞的體積只有原子核那么大,質(zhì)量和一座山差不多,達(dá)到上億噸,里面蘊(yùn)藏的能量相當(dāng)于10個大型的發(fā)電站。
《百科知識》: 我們常說的黑洞是大質(zhì)量恒星衰亡后坍縮形成的,這個過程是如何實(shí)現(xiàn)的?
答: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,恒星開始塌縮;如果恒星的剩余質(zhì)量不大,最后形成白矮星或中子星。但如果剩余的質(zhì)量超過3~4個太陽的質(zhì)量,它就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,物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍,直到最后形成體積非常小、密度非常大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(小于史瓦西半徑),質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”誕生了。
《百科知識》:是不是所有恒星最后坍塌后都形成黑洞?太陽衰亡后也會成黑洞嗎?
答:并不是所有的恒星都能成為黑洞,只有巨大的恒星,即最終剩余的物質(zhì)質(zhì)量大于3個太陽質(zhì)量時,恒星將不斷塌縮,巨大的引力將切斷星體中所有物質(zhì)與外界的聯(lián)系,最終形成黑洞。因?yàn)樘栙|(zhì)量小,所以它衰亡后是不會成為黑洞的。
《百科知識》:為什么黑洞會吸入星際物質(zhì)?它為什么會有那么強(qiáng)的吞噬能力?
答:這主要還是通過強(qiáng)大的引力場。一般來說,通常人們提及的黑洞大多是指由于大質(zhì)量的恒星崩坍后形成了體積足夠小、引力場足夠強(qiáng)的天體。只要物質(zhì)進(jìn)入到其鄰近的一定區(qū)域內(nèi),黑洞就可以吸進(jìn)包括光線在內(nèi)的任何東西,使它們無法以任何物理機(jī)制獲得向外逃逸的機(jī)會。宇宙黑洞是靠狂吞周圍星體的氣體、光線來不斷膨脹。 但關(guān)鍵問題是這個“怪物”的胃口到底有多大?這樣一直無休止地“大吃大喝”,它是怎么辦到的?這在目前還是一個有爭論的謎。
人類如何觀測到黑洞? 《百科知識》:由于黑洞本身不發(fā)光,所以人類用任何強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡都看不見黑洞,我們怎樣知道它的存在?
答:我們無法直接觀測到黑洞,因?yàn)槿魏螙|西,包括光線一旦進(jìn)入其邊界就無法逃脫它的吸引,活像一個有魔力的無底洞。但我們卻可以間接觀測到黑洞。當(dāng)恒星繞著黑洞轉(zhuǎn),并最終掉入黑洞時,會非常的亮。尤其是當(dāng)恒星離黑洞的距離大概是兩到三個史瓦西半徑時,會發(fā)生閃耀現(xiàn)象,這是因?yàn)楹阈潜凰撼闪怂槠?。宇宙?dāng)中也存在很多氣體,氣體距離黑洞越來越近的時候,可以通過觀測看到是否有黑洞吸積物質(zhì)。
《百科知識》:宇宙中有多少黑洞?
答:黑洞是由于質(zhì)量大的恒星死亡后,在自身塌陷后形成的密度異常大,引力異常大的天體。因此,只要有質(zhì)量足夠大的恒星,其死亡后,就很可能形成黑洞。可見,宇宙中黑洞數(shù)不勝數(shù)。銀河系中存在數(shù)百億顆恒星,有10億顆發(fā)著黃光的老年恒星。一些科學(xué)家認(rèn)為,如果按常規(guī)推測,每天至少有1顆恒星死亡,因此可以判斷我們銀河系存在的黑洞必定不會少。
《百科知識》:有新聞報道說銀河系中央有一個巨大的黑洞?
答:通過觀測發(fā)現(xiàn),每個巨大星系中心都存在超巨大黑洞。銀河系中有數(shù)百億顆恒星,他們都在圍繞著銀河系的中心高速旋轉(zhuǎn),是什么力量帶動這些恒星旋轉(zhuǎn)?一定有一個非同尋常的巨大引力在牽引這些恒星。對這個中心我們無法直接看到其內(nèi)部,但通過對恒星的運(yùn)動軌跡的觀測,可以算出其中心的質(zhì)量,據(jù)推測它很可能是一個超大質(zhì)量黑洞,質(zhì)量大約是太陽的400萬倍,但占據(jù)的空間很小,通過吞噬周圍的星際氣體不斷成長。也就是說我們所居住的銀河系的中心部位,所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)。目前觀測到的距離地球最近的黑洞應(yīng)該就在銀河系中,銀河系的直徑在13萬光年的量級,而太陽距離銀河系的中心大約為2.6萬光年,因此實(shí)際上我們距離銀河系的中心黑洞并不遙遠(yuǎn)。而銀河系中太陽系附近的其他恒星系統(tǒng)中,很有可能就有恒星級的黑洞存在,它們和我們的距離有可能更近。
黑洞會對人類造成威脅嗎?
《百科知識》:您剛才說,銀河系中存在很多黑洞,黑洞能夠吞噬包括恒星在內(nèi)的任何物質(zhì),只要離它足夠近。黑洞又不是固定不動的,那么有一天它游離到太陽系附近,黑洞會吞噬太陽嗎?
答:無論是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞還是恒星級的黑洞,目前看來沒有對地球產(chǎn)生異常影響的任何跡象。黑洞確實(shí)可以吞掉地球,但問題在于我們地球甚至太陽系并不在黑洞吞噬和吸引范圍之內(nèi)。即使太陽系周圍確實(shí)存在巨大的黑洞,甚至我們太陽在銀河系里圍繞著一個黑洞在旋轉(zhuǎn),這個黑洞就是很強(qiáng)的引力場,這與我們地球圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)沒有本質(zhì)的區(qū)別。
《百科知識》:如果有一天真的在太陽系旁發(fā)現(xiàn)了大黑洞,那么對我們有什么影響嗎?
答:像黑洞誕生和形成這樣的天文事件是以千萬年甚至億年來計(jì)算的。與之相比,人類太渺小和短暫了,所以即使離地球較“近”的黑洞有什么變化,也是極其緩慢的,很難在未來千年的尺度上發(fā)生什么大變化,也就不會對地球產(chǎn)生什么實(shí)質(zhì)性的影響。即使是新觀測到銀河系或其他星系某個黑洞的存在,它也是早已在那里存在,不會因?yàn)槟惆l(fā)現(xiàn)了它,而有什么異常的變化。宇宙中天體的形成和演化類似于我們地球上生命的誕生和消亡,只是時間和空間尺度更大而已,本是十分平常的事情。我們大可不必為發(fā)現(xiàn)了黑洞而擔(dān)心,因?yàn)槲覀兊奶煳挠^測可以看到數(shù)十億甚至上百億光年的距離,是否發(fā)現(xiàn)黑洞只是我們對宇宙的認(rèn)識是否更多一些而已。