主辦：北京市科學技術協(xié)會
協(xié)辦：北京科普發(fā)展中心、嘉星一族、首都圖書館
題目：黑洞、白洞與蟲洞
時間：2011年7月31日
地點：首都圖書館
主講人：蘇宜，南開大學教授
開場白
關于黑洞，法國天文學家盧米涅（Luminet）說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點，極端到近乎荒唐（指它的一些性質用現(xiàn)有的物理學知識無法解釋）。但它又是宇宙當中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野?！?br>
壓縮到引力半徑以內
黑洞（Black hole）這個名詞，是1968年由美國天文學家惠勒（Wheeler）在一個報告里面提出的。但有關黑洞的概念，早就有科學家通過數(shù)學公式推導出來了。比如說1796年法國科學家拉普拉斯（Laplace）就在著作里寫了一段話。他說假如有一個恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應該是發(fā)光的，但是從遠方看這個恒星，它卻是絕對黑暗的，你不可能看到它。為什么呢？Laplace的解釋就是逃逸速度。
地球的逃逸速度是11.2公里每秒，還有一個環(huán)繞速度是7.9公里每秒。我們沒有誰扔個石頭能永遠不掉下來，為什么？因為人扔石頭的速度很小，不可能大到7.9公里每秒，大到這個數(shù)的話，石頭就不會被地球的引力吸引下來，就會繞著地球轉，這就是人造衛(wèi)星飛行的原理。如果速度達到11.2公里每秒，那么就會使物體飛離地球引力場，再也不會回來，這就叫逃逸速度。
那么，當初Laplace假設的恒星逃逸速度已經超過光速，也就是說光這種小粒子的飛行速度沒有達到逃逸速度，逃不開該恒星的引力，飛不出來，所以外界不可能看到這顆恒星的存在。Laplace所說的其實就是黑洞的概念。不過Laplace依據的是牛頓經典力學，對時空本性的認識還沒有達到現(xiàn)代物理學的深度。而且Laplace的著作出版后不久，物理學家楊（Young）發(fā)現(xiàn)光具有波動性，而不是小粒子，Laplace的著作再版時就把那段文字刪掉了。
科學在發(fā)展。1915年11月，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，主要的思想是說時空是彎曲的。按牛頓理論，時空是平直的。愛因斯坦說，因為宇宙當中處處有天體，天體的質量越大體積越小，引力越強，它周圍的時空就彎曲的越厲害。廣義相對論發(fā)表之后只有一個月，他的同事、天文學家史瓦西（Schwarzchild）就用這個理論推導出一個重要的數(shù)值——引力半徑。
史瓦西半徑公式很簡單：引力半徑Rg＝2GM/C2。G是引力常數(shù)，M是天體質量，c是光速。只要知道天體質量，一定可以算出來一個Rg。這個公式是什么含義呢？如果一個天體的全部質量都被壓縮到它的引力半徑的范圍之內的話，按照廣義相對論，天體周圍的時空就極度彎曲到完全封閉，里面什么東西都跑不出來，包括光子和任何能量、物質、信息。外界不可能看到它，那么這個東西就是黑洞。
在約定單位的情況下，史瓦西半徑公式可以簡化為Rg＝2.95M［km］。M必須以太陽質量為單位，算出的引力半徑Rg值以公里為單位。
不難算出太陽的史瓦西半徑是2.95公里。如果把太陽的全部質量都壓縮到直徑小于6公里的范圍內，太陽就變成黑洞；如果我們有興趣算一算地球，它的引力半徑是8.9毫米，把整個地球壓成一粒葡萄那么大，地球就變成黑洞了。當然這只是數(shù)學計算。太陽跟地球都不可能變成黑洞，因為沒有什么力能把它們作如此的壓縮。但是宇宙當中的大恒星在超爆以后是可能被壓縮成黑洞的。
兩個力的平衡
恒星有兩個最主要的特點，第一是它有巨大的質量。太陽的質量為2×1027噸，只能算是一顆中下等質量的小恒星。按照牛頓的引力定律，有質量就有引力，每一部分都和相鄰的部分有引力，引力累加起來的結果，就是把整個恒星的物質向中心擠壓。那這么一擠恒星還能存在嗎？事實上，太陽天天照耀我們，沒有被壓垮，是因為恒星還有另外一個特點——極強烈的熱核反應，由熱核反應產生的巨大的向外擴張的壓力與引力相平衡，才能保持恒星長期穩(wěn)定的存在。
最主要的熱核反應是氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍说姆磻湓雍耸且粋€質子，氦原子核里邊是兩個質子加兩個中子。當四個氫原子核，也就是四個質子，在高溫高壓的條件下聚在一起變成一個氦原子核，結果四個質子里有兩個變成中子了。聚變前后，質量有虧損。質量哪去了？變成了核能輻射出來。這是近代物理學從愛因斯坦開始，相對論跟量子力學揭示出來的物質世界的深刻的本質。
那么好了，由于恒星內部不斷地進行著熱核聚變反應，結果一定是獲得極高的溫度，你們學物理都知道，溫度越高體積越大，它有一個向外膨脹的壓力，與引力相平衡。太陽內部的熱核反應規(guī)模，相當于一秒鐘爆炸二十億顆氫彈，一秒一秒不斷地爆炸，才有這個太陽存在。質量比太陽大的恒星熱核反應的規(guī)模就更大。
一個恒星不管大小，一定是質量產生的引力跟熱核反應產生的壓力，兩個力剛好平衡，這個恒星就能夠穩(wěn)定地存在。存在的壽命有多長？看這個星的質量大小。質量越大，壽命越短。像太陽這樣的恒星能夠維持大概一百億年。
恒星會死的
恒星不是永恒，當它的熱核反應不能進行的時候，它就要消亡。核燃料總有用完的一天，用完了，失去了向外抵抗的壓力，那個向中心的引力馬上就起作用，恒星馬上就要塌縮。所以恒星跟我們人一樣，有生有死。最后怎么個死法？死亡的方式由它的質量來決定。
熱核反應有好多種，氫到氦的聚變反應是最基礎的，或者說是產能效率最高的一種。聚變完了以后，氫都沒了，一大堆全是氦了，下一步它就會進行更高級別的熱核反應，由氦變成碳，由碳變成氧，變成鎂，變成硅，變成硫，變成氬，變成鈣，變成鈦、鉻、鐵……在恒星內部進行這種聚變反應到鐵為止——元素周期表上鐵后面不是還有嗎？銅啊銀啊金啊更重的元素，那不行了，鐵以后的元素只能是裂變才能產生能量。鐵原子核的出現(xiàn)意味著恒星到了暮年，跟人一樣，老得快動不了了，即將走向死亡。
質量比較小的恒星，像太陽，它的熱核反應只能到恒星大部分變成碳為止，氫變氦，氦變碳。它的質量太小，內部的壓力不夠，碳再也不能聚變了?，F(xiàn)在推算，50億年后，太陽中間是個碳核，外圍有一些氦，再外圍還有一些氫，太陽會膨脹到比地球軌道還要大，地球軌道半徑是1.5億公里，這時地球就完蛋了，肯定熔化了。到了這個階段，碳不能聚變了，引力就會使恒星塌縮，縮成白矮星，體積縮小到同地球差不多大了，但密度非常高。有人戲稱，那個時候的太陽核心就是一個極大的鉆石。鉆石是碳元素的另一種結構。太陽變成像整個地球那么大的一塊鉆石，外圍還有一片體積碩大的彌漫星云。當然了，人早沒了。
生物是從小長到大，天體是從大長到小。太陽寶寶開始特別大，在引力作用下，縮縮縮，縮成正常太陽，維持很長很長時間，到最后它又變大，變成紅巨星，最后紅巨星也沒了，剩下的東西就是那個碳核，變成白矮星＋彌漫星云，這就結束了一生，整個歷程是一百億年，現(xiàn)在走了一半，五十億年。
我們在座的人誰也等不到看五十億年之后的太陽，但是天文學家在銀河系內部找到好多個已走到這一步的別的恒星。像天琴座環(huán)狀星云、寶瓶座螺旋星云、天龍座貓眼石星云、矩尺座螞蟻星云等，都是由小恒星死后變過來的，看起來很漂亮，中間是白矮星，外圍是星云。
超新星爆發(fā)
所謂大恒星，通常來講質量比太陽大八倍或者8.5倍以上。大恒星會有更深層次的一大串熱核反應，最后一直進行到產生鐵核。晚年階段的大恒星像一個熊熊燃燒的巨大無比的熱核反應爐，極度地膨脹，直徑比土星繞太陽的公轉軌道還要大。但它不可能維持長久，一旦熱核反應全部停止，頂不住引力了，那么大的范圍，那么多的質量往中間聚攏，速度非常高，比地球自由落體厲害得多，最后撞上中間的鐵核。這時候在極高的壓力下，鐵元素原子核已經變成全部由中子組成的中子核，這個中子核你是搖不動的，比銅墻鐵壁厲害得多，那么先前撞上的往外反彈，外面的往里擁，兩個速度相對更厲害，撞的一塌糊涂，砰！能量就會突然地爆發(fā)，這就叫——超新星爆發(fā)。爆發(fā)能量超過太陽一生總輻射能量的100倍！
人死時不會蹦起來爆發(fā)的，大恒星快沒氣時會突然蹦起來大爆發(fā)，這就是大恒星的性格。大恒星死了，但是它催生下一代恒星。而且超新星爆發(fā)是把鐵以后的那些元素創(chuàng)造出來的條件。我們在座愛美的女士們披金戴銀，各種貴金屬怎么來的？如果沒有超新星爆發(fā)，不可能有這些元素。沒有往日恒星的壯烈爆發(fā)，就沒有今天多彩斑斕的宇宙。
恒星的幾種結局
大恒星超爆以后剩下那個殘骸，那個中子核，會怎么變？這里就要提到近代天體物理學兩個非常重要的極限值。
一個叫錢德拉塞卡極限。錢德拉塞卡是一位美籍印度天文學家，他計算出來一個極限值，獲得1983年諾貝爾物理學獎。他說，停止熱核反應的恒星，質量數(shù)如果小于1.44倍太陽質量，它會變成白矮星；質量數(shù)如果超過1.44倍太陽質量，它會進一步塌縮——那就引出第二個極限，奧本海默極限。
奧本海默也是一位著名的美國物理學家，被稱為“原子彈之父”。他算出來了，如果一個冷恒星，超過1.44太陽質量但小于3倍太陽質量，它會進一步塌縮，變成中子星。如果大于3倍太陽質量的話，那么質量越大引力越強，強勁到能夠把中子星都壓垮，那就是黑洞。
那么恒星死亡的結局可以歸類為這么幾種：小于2.3倍太陽質量的恒星會正常死亡，沒有超爆，最后變成白矮星；2.3到8.5倍太陽質量的恒星會超爆，它沒有中子核，所以什么都沒有留下；大于8.5倍太陽質量的恒星，超爆以后會留下中子核——看它留下的質量是多少，大于1.44是中子星，大于3是黑洞。
黑洞的奇妙性格
黑洞第一個奇妙性質是它存在一個視界，物質進了這個界限，里邊的光子就跑不出來，外面的人就永遠看不到它。就是史瓦西算出來的那個界限。在視界之內，所有的物質只能向中心奇點聚集，任何兩點之間以及它們同視界以外，不可能有任何信號聯(lián)系。
在視界范圍里頭，質量全部集中在中心奇點，這個奇點體積為零，密度為無窮大。這違背所有已知的物理學規(guī)律——世界上有什么東西只有質量沒有體積不占空間嗎？
視界不是實體，是一個囚籠，所有物質、能量都被囚禁在中央奇點上，無法逃脫。光跑不出來，任何時候看它都是絕對黑暗的。里邊的跑不出來，可是外面的東西碰到它一定會被吸進去再也出不來，因為它有強大的引力，是個無底深洞，西方叫Black hole，翻成黑洞兩個漢字是很貼切的。
黑洞的第二個性質，它有強大的引潮力。海邊潮水會漲會退，是太陽跟月亮的引潮力造成的。引潮力就是把全地球的海水兩頭拽的力。引潮力的大小跟天體質量成正比，跟距離的立方成反比。太陽跟月亮的引潮力都很小。但假如這個天體是黑洞，我們假設它有十個太陽質量，它的引潮力會非常強大。進到距離它四百萬公里范圍之內，一般的物質結構都會被解體。假設說未來我們的飛船要去探測這個黑洞，你夠結實，進到距離它四百萬公里范圍之內去了，你越往里飛，引潮力越大，可千萬別接近視界，否則就會一頭栽進奇點就什么都不是了——好，我不進去，我在視界上待一會兒怎么樣？這可以計算，視界上一個人體受到的引潮力是一百萬噸，兩頭拽著。
黑洞還有更奇妙的時空特性。我們的空間是三維，三個方向運動，時間是一維的。可是在黑洞視界內部，空間變成一維了，而且單向，一頭栽向奇點，沒有向別的方向運動的可能。栽到奇點，就時空都不存在。還有時間凍結，是指相對論所描述的、不同系統(tǒng)里頭的時空不一樣，空間會縮短，時間會變慢。
中國一句老話，山中方七日，世上幾千年，神仙一盤棋還沒下完，人間幾千年過去了，這是神話，可相對論告訴我們，真可能有這樣的事。飛往黑洞的飛船，里邊的時間會越來越慢。真的到達黑洞視界表面的時候，時間慢到了無窮大，所以地球上的人永遠也看不到飛船是怎么到視界，怎么進黑洞的。假設這個畫面要往地球上傳，要傳無窮長的時間才能傳到——就是永遠傳不到。叫做“時間凍結”。
還有，恒星是旋轉的，恒星變成黑洞是塌縮的結果，一塌縮，轉速就要加快，這是物理學的角動量守恒原理。黑洞極端的時候會達到每秒鐘五千轉。這種高速轉動會使它周圍的時空被拖拽著一塊旋轉，這就是時空旋轉效應——注意不是什么東西在轉，是整個時空在轉?，F(xiàn)在已經探測到這個現(xiàn)象。
黑洞已經找到了
那么，這些理論真的可靠嗎？現(xiàn)在天文探測已經回答了這個問題。
蟹狀星云在金牛座。公元1054年，就是我們北宋仁宗的時候，歷史書有記載，當時的宋朝人看到了天上有一個超新星爆發(fā)，恒星爆掉沒有了，剩下的東西就是這個蟹狀星云。現(xiàn)代天文學家在它的中心部分看到了一個中子星。
黑洞也探測到了。當然這非常困難的，因為原則上你看不見它。天文學家不甘心，想各種各樣的辦法，目前正在用的一種方法就是探測黑洞雙星。
什么叫黑洞雙星？我們的太陽是個單身漢，它要有老伴我們地球上的生命反而活不成了，不過銀河系里的恒星大多數(shù)是一對一對的，是雙星。如果其中一個又亮又大，我們用望遠鏡看得見，旁邊那個已經變成黑洞，跟亮星互相繞著轉，那么它強大的引力場會把同伴星的物質吸引過來，高速旋轉。高速旋轉的時候，一定會發(fā)出強勁的X射線。那好了，我們探測什么地方發(fā)出X射線，進一步考察那里是不是一對雙星，再推是不是存在黑洞。
70年代以來，以美國、歐洲為主，發(fā)射了一系列的衛(wèi)星專門探測X射線，現(xiàn)在一共找到15萬個X射線源，當然不一定都有黑洞。人類探測到的第一個黑洞是天鵝X-1，位于天鵝座。雙星旋轉的周期是5.6天轉一圈，相距三千萬公里?？吹靡姷氖且活w九等星，X射線是黑洞外圍高速運轉的電子發(fā)出來的，離我們八千光年。整個七十年代，一共發(fā)現(xiàn)四個黑洞，國際天文學界戲稱“黑洞四人幫”。一直找到現(xiàn)在，也就發(fā)現(xiàn)了十來個黑洞。
遙遠的M100星系，在后發(fā)座，1979年的時候觀測到里面一個超新星爆發(fā)，到了2010年的11月份，發(fā)現(xiàn)這里有一個黑洞，是超新星爆發(fā)以后形成的，也就是說這個黑洞誕生才20來年，是已知最年輕的黑洞——好多媒體都誤解了，你不要以為這個黑洞是現(xiàn)在形成的，它是五千萬年以前形成的，因為它距離地球是五千萬光年。
除了恒星超爆以后形成的黑洞，還有更大的黑洞?，F(xiàn)在基本上認為星系中央普遍存在巨型黑洞。像銀河系中心的巨型黑洞，質量比太陽大260萬倍，視界半徑760萬公里，這個已經很明確地探測到了。
爭論
索恩VS霍金——時間機器之爭
白洞(white hole)是由科學的對稱性引申出來的一種猜想。對稱性是當代物理學最重要的中心思想之一。那么根據對稱性，把黑洞反過來就是白洞。
白洞是黑洞的時間反演。白洞也有視界和奇點。所有物質、能量和信息都不能進入白洞的視界，只能從視界內部逃逸出來。白洞是宇宙中的噴射源。白洞的奇點里藏匿著無窮盡的物質。迄今為止，沒有任何物理理論能夠給出像黑洞形成機制那樣的形成白洞的機制，也從來沒有在實際的天文觀測中發(fā)現(xiàn)具有白洞特征的任何天體或天文現(xiàn)象。迄今為止，白洞只是理論上的一種猜想。
那么蟲洞（Wormhole），就更奇妙。做個比喻，一個蘋果，里邊有蟲子，在你看不見的地方，蟲子拱出來的那個洞、那個隧道，就是蟲洞。它連著黑洞的奇點跟白洞的奇點，是某種神秘的通道。掉進了黑洞，順著這個通道到白洞，一下子又噴出來了，就是這樣一種猜想。
科幻小說里面經常會提到時間機器，人這頭進去是現(xiàn)代，那頭冒出來也許是古代也許是未來。以前，關于時間機器的幻想都是沒有科學根據的，因為這些科幻作品主要描寫的是超光速飛行。光不是一秒30萬公里嗎，我這飛行器速度比光還要快，我往前追，總有一天跑到秦始皇那個年代去，等著瞧他怎么焚書坑儒?？墒沁@個東西被相對論所否定，因為任何飛行不可能超光速。出現(xiàn)蟲洞的說法后，情況有所變化。
美國當代著名的天體物理學家索恩（Thorne）寫了兩篇介紹蟲洞的文章，說有了蟲洞，有可能實現(xiàn)時間機器，跑到古代或未來。他舉例說，地球距織女星是26光年，這是在四維的宇宙時空里。如果地球旁邊有一個黑洞，這個黑洞的奇點與另一個白洞的奇點由蟲洞連接著，而白洞卻在織女星旁邊。設想一艘飛船掉進黑洞以后，通過蟲洞，從織女星旁邊的白洞又冒出來，那也許一天或者兩個鐘頭就完成了。在這里等著看26年來地球上發(fā)生的事情，就等于回到了從前。
注意索恩寫的不是科幻文章，而是嚴肅的科學文章，他依據的還是廣義相對論。但相對論所描述的蟲洞不在現(xiàn)實的四維時空里，而在所謂的“超空間”里頭。超空間在哪里？連愛因斯坦也說，我們人類能意識到的空間都是現(xiàn)實空間，超空間只有理論描述，只能意會不能言傳。
索恩的好朋友霍金卻不同意他的說法?；艚鹫f，超空間里的蟲洞，按照相對論，存在的時間極短，出現(xiàn)了馬上就沒了，這個時間是10的負十幾次方秒，短到連一眨眼都形容不了，飛船想要飛過去是不可能的。任何企圖穿過蟲洞的事物，不等你冒出來，蟲洞就關閉了，還是死在那里頭了。而且按照相對論，蟲洞內部有負壓力，蟲洞直徑越小，壓力越大，那么你要想飛船安全的話，就要把直徑做得很大。比如說蟲洞直徑要有1光年那么大，飛船才能安全通過，這有可能嗎？
但是索恩并沒有放棄。他說未來的人類也許會有高超的技術，能讓飛船能發(fā)出一種具有負能量的物質——存在強大的斥力，把蟲洞長時間地撐住，飛船不就過去了嗎？
霍金還是否定他?；艚鹫f你怎么著也不行，因為物理定律不允許有時間機器，所謂時間，只能向前不能向后，任何事物總是前因后果，歷史不能被破壞。不管你想制造、運用什么樣的時間機器，總會有某種規(guī)律使你不能成功。你要問什么規(guī)律？誰也不知道。西方人也許會認為冥冥之中有上帝。這就是霍金跟索恩，兩位當代的大物理學家彼此都不能說服的爭論。
最后索恩說了一句比較中肯的話，他說在物理學深刻認識量子引力理論之前，我們誰也不能下結論。量子引力理論就是將量子力學跟相對論統(tǒng)一起來的新物理理論，愛因斯坦的后半生孜孜以求但沒有做出來，直到現(xiàn)在，全世界那么多物理學家，誰也沒有做出來。
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