天文漫談-期末論文-黑洞

1、黑洞漫談匡亞明學(xué)院2011級 理強 張夢陶111242054黑洞的預(yù)言(1)拉普拉斯預(yù)言的黑洞早在1800年，拉普拉斯(第一個提出星云假說的人)就指出，一個物體的表面積和密度越 大，那么它的表面引力和逃逸速度也就越大。物體的大面積和大質(zhì)量相結(jié)合會產(chǎn)生很大的表面引力，以至于它的逃逸速度將等于甚至超過光速，在這種情況下，物體不向外發(fā)光。當(dāng)時,這個假設(shè)只被認為是個理想的推測，因為關(guān)于物體處于上述狀態(tài)時的極大面積和極稠密度， 我們還一無所知。4公式:但是，要指出的是暗星不同于廣義相對論的黑洞，因為：? 暗星仍由普通物質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)能夠支撐起自己不會塌縮 ? 光子的逃逸半徑更大? 不是時空彎曲的結(jié)果?

2、 可以有超光速的粒子逃逸出去(2)史瓦西預(yù)言的黑洞愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，一定質(zhì)量的天體，將對周圍的空間產(chǎn)生影響而使他們 “彎曲”。彎曲的空間會迫使其附近的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。例如太陽就會使經(jīng)過其邊緣的遙遠星體光線發(fā)生1.75弧秒的偏轉(zhuǎn)。由于太陽的光太強，人們無法觀看太陽附近的情景。1919年，一個英國日全蝕考察隊終于觀測到太陽附近的引力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，愛因斯坦因此成了家喻戶曉的明星。愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論之后第二年(1916年)，德國天文學(xué)家卡爾？史瓦西( KarlSchwarzschild, 18731916年)通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點，

3、其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點周圍存在一個界面“視界”，一旦進入這個界面(圖3-3),即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學(xué)家約翰？阿奇巴德？惠勒(John Archibald Wheeler )命名為“黑洞”。1915 年，Einstein 方程:史瓦西從“愛因斯坦引力方程”求得了類似拉普拉斯預(yù)言的結(jié)果，即一個天體的半徑如果小于“史瓦西半徑”，那么光線也無法逃脫它的引力。這個史瓦西半徑的范圍可以按照下式估其中，沒是天體質(zhì)量， c 是光速。如果通過適當(dāng)選取質(zhì)量、長度和時間的單位，可以使G和c都等于1，那么上式子還可以簡化成。史瓦西半徑不是別的， 正是按照牛頓引力計算表面逃逸速度

4、達到光速的星體尺度。 上述關(guān)于 引力源的半徑小于史瓦西半徑時會產(chǎn)生奇異黑洞的說法， 在很長一段時間里都曾經(jīng)被認為是 廣義相對論的一個缺陷，于是黑洞研究的進展被阻礙了。直到50 年代，理論家們才對史瓦西半徑上的奇異性的解釋獲得共識。 瓦西自己也并不知道， 正是他為米切爾和拉普拉斯那已 被遺忘的關(guān)于黑洞的猜測打開了正確的理論通道。還有一些科學(xué)家， 根據(jù)其它近代引力理論也做出了同樣的預(yù)言。 可見存在黑洞的預(yù)言是有不 少理論根據(jù)的。 按照這些理論， 當(dāng)保持太陽的質(zhì)量不變， 而將其壓縮成半徑 3 千米的球體時， 它將變成一個黑洞； 要想讓地球也成為一個黑洞， 就必須把它的半徑壓縮到不到 1 厘米！ 這

5、從人們?nèi)粘５慕?jīng)驗來看，是不可想象的。然而，這種威力無比的“壓縮機”在自然界的確存 在，這就是天體的“自身引力” 。天體一般存在“自身的向內(nèi)引力”和“向外的輻射壓力” 。如果壓力大于引力，天體就膨脹； 引力大于壓力，天體就收縮（坍縮） ；如果二力相等，天體就處于平衡狀態(tài)。對恒星而言， 若其原來的質(zhì)量大于 8 個太陽， 則其引力坍縮的結(jié)局最終就形成黑洞。 自然界中不但存在形 成黑洞的巨大壓力，而且任何大質(zhì)量的天體最終都逃脫不了這種坍縮的結(jié)局。 史瓦西根據(jù)廣義相對論預(yù)言的黑洞，其大小恰與米切爾和拉普拉斯猜想的基本一致。但是， 嚴格說來， 這兩個理論在黑洞大小上的一致只是表面上的。 按照牛頓理論， 即

6、使逃逸速度遠 大于3X 105km/s,光仍然可以從星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我們總能把一只球從地面往上拋出而后只能落下） 。而在廣義相對論里來講逃逸速度就是不正確的了， 因為光根本不可能離開黑洞表面。 黑洞的表面就像一只由光線織成的網(wǎng), 光線貼著表面環(huán)繞 運行,但決不能逃出來, 如果黑洞在自轉(zhuǎn), 則捕獲光的那個面與黑洞自身的表面是不相同的。 借助于逃逸速度來描述黑洞,雖然有一定的歷史價值和啟發(fā)作用,卻是過于簡單了。（ 3 ）奧本海默預(yù)言的黑洞1939 年,奧本海默研究了中子星的特性后指出, 如果中子星的質(zhì)量超過 3.2 倍太陽的質(zhì)量（更 精細的模型給出的值在 2-3 之間）,中

7、子就無法與自身引力相抗衡,從而發(fā)生中子塌陷。這 時沒有任何力量能夠抵擋住引力的作用, 經(jīng)過引力作用后的星核會形成一個奇異點, 即沒有 體積只有大質(zhì)量的高密度的點。奧本海默的理論預(yù)言主要建立在以下 3 個要點上：（1）自然界沒有任何力能夠支撐 3 倍以上太陽質(zhì)量的“冷”物質(zhì),即已經(jīng)停止熱核反應(yīng)的 物質(zhì)的引力坍縮。（2）許多已觀測到的熱恒星的質(zhì)量遠遠超過 3 倍以上的太陽質(zhì)量。（3）大質(zhì)量恒星消耗其核燃料并經(jīng)歷引力坍縮的時間尺度是幾百萬年,所以這樣的過程已 經(jīng)在具有 100億年以上高齡的銀河系里發(fā)生了。就像拉普拉斯推測的那樣, 這樣的超中子星不會向外發(fā)光。 它被描述成一個無限深的洞, 任 何落在它

8、上面的物體都會被它吞沒而不可能再出來,即使是光也不能逃出來。觀測黑洞的方法 黑洞是一種奇異的天體。 “黑”字表明它不向外界發(fā)光，因此我們無法看到它； “洞”則意味 著任何東西，包括光線一旦進入其邊界就無法逃脫它的吸引，它活像一個有魔力的無底洞。 黑洞之所以如此， 是由于它具有極其強大的引力場， 這個強大的引力場足以摧毀其內(nèi)部的一 切物質(zhì)，掃去了一切復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，刮去了“毛發(fā)” ，使結(jié)構(gòu)極為簡單，只剩下了它的質(zhì) 量、電荷及角動量，知道了這三個參量，也就知道了它的一切。這就是著名的“黑洞無毛定 理”。盡管我們看不到黑洞， 但可以通過測量它對周圍天體的作用力來觀測或猜測到它的存在。 利 用黑洞產(chǎn)生

9、的以下效應(yīng)便可以實現(xiàn)此目的：1.根據(jù)圍繞黑洞飛行或正被旋入核心的天體估算出的質(zhì)量 許多黑洞的四周都環(huán)繞著一些天體， 通過觀察這些天體的行為， 可以推斷出黑洞的存在。 然后，使用所猜測黑洞四周的天體運動測量值便可以計算黑洞質(zhì)量。您要尋找的就是那些運動表現(xiàn)似乎受到周圍巨大質(zhì)量影響的星體或氣盤。 例如， 倘若某 個可見星體或氣盤在不穩(wěn)定地運動或旋轉(zhuǎn)， 但又找不到附近有導(dǎo)致這種運動的可見原因。 并 且這種不明因素產(chǎn)生了某種效應(yīng)， 而這種效應(yīng)似乎是由質(zhì)量比太陽大三倍的天體 （由于質(zhì)量 太大而不可能是中子星）造成的。那么，這種運動就有可能是黑洞導(dǎo)致的。然后，可以通過 觀測黑洞對可見天體產(chǎn)生的效應(yīng)來估算黑洞

10、質(zhì)量。2.引力透鏡效應(yīng) 愛因斯坦曾經(jīng)在廣義相對論中推測說引力能使空間彎曲。 后來， 在一次日食過程中， 科 學(xué)家通過測量某個恒星在日食發(fā)生前、 發(fā)生期間和發(fā)生后的位置， 證實了愛因斯坦的這一觀 點。該恒星發(fā)出的光線被太陽引力彎曲， 因而位置發(fā)生了變化。這么看來， 位于地球與遙遠 天體之間的具有強大引力的天體（如星系或黑洞） ，可以將遙遠天體發(fā)出的光線折射成一個 焦點，這與透鏡的功能十分相似。3.放射物 物質(zhì)被吸引而落向黑洞，在尚未抵達其視界時，會釋放大量的勢能而輻射出強大的 X 射線或丫射線來，所以這些高能輻射也是搜索黑洞的重要線索。三 黑洞的發(fā)現(xiàn)1 ）天鵝座 X-1距離我們最近的有可能為黑洞

11、的天體，是所謂的天鵝座X-1。 1966 年，科學(xué)家發(fā)射的 X射線探測器在天鵝座的位置相距我們 10000 光年的地方，探測到一個強的 X 射線源，將其 命名為“天鵝座 X-T'。1971年，X射線天文探測衛(wèi)星“自由號”（即上文說到的“烏呼魯”）記錄到它的 X 射線廣度的快速變化， 并在多次觀測的基礎(chǔ)上證實： 這是一個雙星系統(tǒng)， 看得 見的那一顆是編號為 HDE226868 的光學(xué)可見恒星，這顆明亮恒星的光譜型表明它是一顆質(zhì) 量在 25倍到 40倍（有說是 30 倍）太陽質(zhì)量之間的高溫藍色的超巨星；而看不見的伴星質(zhì) 量約為 7 倍太陽，體積卻非常小，是一顆處于天鵝座 X-1 位置的，不

12、發(fā)光而放射出強烈 X 射 線的奇異天體， 它們在太空中互相圍繞著旋轉(zhuǎn)。 據(jù)推測， 這個奇異天體正在吸取可見星的氣 體物質(zhì)，并將之加熱到幾百萬 K,于是成為X射線源。該奇異天體已經(jīng)超過了黑洞質(zhì)量的“理論界限”，大概就是一個黑洞。當(dāng)然，人們完全可以假定天鵝座 X-1 的奇異天體是一顆中子星，它小得無法看見，而且 它的射電脈沖也不是朝著我們的方向。 但情況不可能如此， 因為一顆中子星的質(zhì)量不會超過 太陽質(zhì)量的 3.2 倍。如果它更重的話，那么根據(jù)奧本海默的理論，其重力就會大得足以使它 坍縮為一個黑洞。因此，天鵝座 X-1 奇異天體必定是一個黑洞。然而來自伴星的物質(zhì)被拉進黑洞時， 沿著螺旋線向它下落，

13、 就會釋放引力勢能而發(fā)出強X射線。同理，若是一顆中子星吸取其伴星的物質(zhì)，也會發(fā)射出X射線來。但是中子星的引力場，不足以迫使物質(zhì)沿螺旋線旋緊到發(fā)出丫射線；而黑洞卻擁有更強大的引力場，因而能夠產(chǎn)生丫射線。所以，最好的區(qū)別它們的方法就是，在進行上述同樣的過程中，黑洞除了發(fā)出X射線外還會發(fā)射出丫射線，而一顆中子星卻不會，是丫射線充當(dāng)了裁判。1976年 11 月美國發(fā)射的 “高能天文臺 -2”號衛(wèi)星， 拍攝到了這顆黑洞周圍星云的照片。后來發(fā)射的“高能天文臺-3號”也一直在跟蹤探測來自天鵝座 X-1的X射線，并且也在探測 丫射線。丫射線與X射線相似，但其波長比 X射線更短，能量比 X射線更高。已觀測到天

14、鵝座X-1發(fā)出的丫射線的能量要比發(fā)出的 X射線的能量高千倍。1988 年初，位于加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室的天文學(xué)家們觀測到，天鵝座X-1的丫射線似乎來自一個直徑僅約 520多千米的小區(qū)域，那里必定存在著溫度高達幾 十億攝氏度的氣體。在如此高溫下，這種氣體將產(chǎn)生電子-正電子對，它們彼此湮滅而產(chǎn)生出很強的丫射線。根據(jù)上述種種理由，人們認為天鵝座 X-1 是第一個可能的黑洞。（2）LMC X-3第二個可能的黑洞是在銀河系附近的 “大麥哲倫云” 星系中發(fā)現(xiàn)的。 大麥哲倫云是最鄰近的 兩個河外星系之一， 在南半球能用肉眼看到， 得名于首先把它記在航海日志上的著名葡萄牙 探險家麥哲倫。天文學(xué)

15、家確認，這個星系的 X射線源LMC X-3是一顆質(zhì)量約為10個（有說6-14個）太陽的 看不見的星體， 它與另一顆光亮的星組成一個雙星系統(tǒng)， 光亮的伴星是高溫藍色巨星， 由光 譜型估計其質(zhì)量約在 4 到 8 倍太陽質(zhì)量之間， 而這顆致密暗星就是第二個可能的黑洞。 由于 根據(jù)大麥哲倫云到我們的距離是 17萬光年而估算出 LMCX-3的最低質(zhì)量為6倍太陽，所以 它甚至比天鵝座 X-l 更為可信地是一個黑洞。（3 ）麒麟座 X 射線新星 A0620 001986 年 1 月，在美國天文學(xué)會的休斯敦會議上，麥克林托克和雷米拉德宣布，他們發(fā)現(xiàn)了麒麟座X射線源A0620 00,它的質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的 3

16、倍，是目前發(fā)現(xiàn)的離地球最近的 可能黑洞，也是被發(fā)現(xiàn)的第三個可能的黑洞。它在距我們約3000 光年以外，是一個“小質(zhì)量雙星”亞型的X射線源，它的那顆非致密子星是質(zhì)量小于太陽的矮星。目前，已得到非致密子星光學(xué)認證的小質(zhì)量X射線雙星系統(tǒng)大約有 40個，但對于其中大多數(shù)情況，由于X射線輻射太強，光學(xué)譜被淹沒，因而不能確定軌道參量和非致密子星的精細 性質(zhì)。幸運的是， A0620-00 在處于寧靜態(tài)時輻射比較弱，不會掩蓋其伴星的可見光輻射， 于是光學(xué)譜就得以測量，并且確實給出一個周期為7.75 小時的光譜雙星系統(tǒng)。由此得出A0620 00 的質(zhì)量最少有 3.2 倍太陽（假定軌道傾角為最不利的情況） ，也很

17、可能超過 7 倍 太陽質(zhì)量。A062000 系統(tǒng)最引人注意的性質(zhì)是其尺度。有的天文學(xué)家（尤其是它的發(fā)現(xiàn)者）認為A0620-00 是最好的黑洞候選者。甚至可以說它是第一個被發(fā)現(xiàn)的黑洞，因為在一張1917 年拍攝的麒麟座照片里找到了它， 那時它正處在一場光學(xué)爆發(fā)之中， 因而被歸人了新星的范疇。 按照有關(guān)專家的估計， 在過去一百億年中， 銀河系里平均每 100 年就有一顆超新星爆發(fā)， 而每 100 顆超新星中就有一顆導(dǎo)致黑洞形成， 那么銀河系里就應(yīng)該有 100 萬個恒星級黑洞。 可 是在雙星X射線源中迄今也只找到 3個可能的黑洞，這似乎頗令人失望。事實上還有幾個源 中也可能有黑洞，但誤差較大，以至于

18、還不那么肯定。4 ) 銀河系的 IE1704.7-2942 和 SS433(Sigma),在1990年春天發(fā)現(xiàn)了一個較300 光年之內(nèi)。這個源暫時的名稱前蘇聯(lián)的“格拉納”衛(wèi)星上的法國望遠鏡“西格瑪”強的X射線和丫射線源，看來它處在距銀河系中心IE1704.7-2942，它被許多人看作是第四個恒星級黑洞?！拔鞲瘳敗边€探測到該源的一陣反物質(zhì)爆發(fā), 以大量電子和正電子湮滅的形式出現(xiàn)。 按照一些高能天體物理學(xué)家的觀點, 只有黑 洞周圍才具備產(chǎn)生大量正電子的極端物理條件。當(dāng)然也還有這樣的星， 它們不屬于X射線雙星范疇，但也可能是黑洞，盡管這很難證實。仙它的爆發(fā)大約是在 1670X射線源，所以它有可能后座

19、 A 是天空中最明亮的射電源之一, 并與一個超新星遺跡有聯(lián)系,年,但不如預(yù)期的那么明亮。 這個超新星遺跡并不包含有脈沖星或 超新星。在爆發(fā)前是一顆質(zhì)量非常大的恒星,爆發(fā)后核心直接坍縮成了黑洞,使得它不能變成很亮的( 5)遙遠星系( M87 )的中心黑洞美國天文學(xué)會在上世紀 90年代的一次會議上, 公布了 1994年哈勃太空望遠鏡拍攝的壯觀的X射線照片，證實在一個遙遠的橢圓星系M87的核心，有一個巨大的致密核心正把星體吸進去,噴發(fā)出由輻射與熱氣組成的湍流。 M87 的特征是在核心處有異常的亮度分布,有一 個像點那樣的距地球約 5200 萬光年的亮光源,顏色較藍,彌散速度也較大,這些都與黑洞 模型

20、相符合。在這里，可能存在著質(zhì)量為9 X 109太陽質(zhì)量的超級大黑洞。照片顯示,一團灼熱的氣體正圍繞著 M87 這個橢圓星系的中心在旋轉(zhuǎn),從中心體發(fā)出的高 能噴流清晰可見,據(jù)判斷這些噴流是由快速移動的電荷和小到1 0光年的亮結(jié)組成的。 M87是6個已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的巨型黑洞的候選者之一，它位于室女座(Virgo)內(nèi)。(6)人馬座的銀心黑洞 科學(xué)家很早就開始猜測,銀河系的中央是一個黑洞,但一直苦于沒有證據(jù)來證實這個理論。2002 年,美國加利福尼亞大學(xué)的宇宙學(xué)家在自然周刊上公布了有關(guān)銀心可能存在黑洞 的消息,該黑洞的體積大約是太陽的 260萬倍,直徑大約比地球軌道直徑小 10倍,銀河系 的其他恒星圍繞該黑

21、洞循環(huán)周轉(zhuǎn),構(gòu)成巨大的圓盤形。他們從拍攝的星圖分析發(fā)現(xiàn), 在那個區(qū)域中, 恒星的運行速度都明顯加快, 表明它們是被拉 向某種引力場極大的物質(zhì), 而那個物質(zhì)極可能是黑洞。 他們還根據(jù)夏威夷的天文望遠鏡所拍 攝的照片，將該黑洞定位在人馬座 A( Sgr A)的地方。這黑洞是一個強烈的射電和 X射線源， 離地球約有 26000 光年的距離。歐洲南方天文臺用一架 8.2m 口徑的 Kueyen 望遠鏡進行的最新研究結(jié)果表明, 銀心黑洞的質(zhì) 量可能要更大些，大約為太陽的320萬400萬倍。這一質(zhì)量是在觀察圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星 的基礎(chǔ)上,由來自加利福尼亞大學(xué)伯克利分校和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校兩組專家獨立計

22、 算出來的。此外,加州大學(xué)伯克利分校專家小組還十分準確地測定了黑洞圍繞自身軸的旋轉(zhuǎn)速度,它作一次完整旋轉(zhuǎn)的時間約為 11 分鐘,作為比較,地球圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)一周的時間為 24 小時, 而太陽的自轉(zhuǎn)周期約為 1 個月。黑洞候選者一個個地發(fā)現(xiàn)， 可以說碩果累累。 然而， 科學(xué)家們也還不能完全排除這些候選者 不是黑洞的可四 黑洞分類1）史瓦西黑洞自從史瓦西給出了愛因斯坦場方程的解以后， 許多種類的黑洞模型先后被科學(xué)家從愛因斯坦 場方程的框架下產(chǎn)生出來，所提出的黑洞類型，儼然形成了一個黑洞家族。其中， 最為尋常的是史瓦西黑洞，它是被研究討論的首要成員。史瓦西黑洞就是所謂“尋常黑洞” ，它是直接由較大的

23、恒星演化而來的。恒星到晚期時核燃 料消耗殆盡，輻射壓（光壓）急劇減弱，星體在其自身引力的作用下坍縮。若質(zhì)量（指原恒 星的質(zhì)量）大于 8 倍的太陽，其產(chǎn)物就是黑洞。在宇宙空間里，此類黑洞具多數(shù)，其最大質(zhì) 量一般不超過 50 倍太陽。從數(shù)學(xué)上來說， 史瓦西黑洞就是其外部的引力場符合史瓦西解的黑洞。 史瓦西研究的是在絕 對真空中完全球?qū)ΨQ的， 在塌縮過程中沒有絲毫物質(zhì)異動，不帶電荷， 沒有絲毫旋轉(zhuǎn)的，標 準理想化恒星的塌縮過程，以及它內(nèi)外時空的場方程解。史瓦西黑洞，是尋常黑洞的發(fā)祥地，它有一個視界和一個奇點。視界， 是物體能否回到外部宇宙的分界面， 在視界外面， 物體可以離開或者接近黑洞而保持 安全

24、。 而在視界上， 只有光速運動的物體可以保持不進入黑洞， 但是連光也無法從這個面中 逃脫。 如果不幸進入了視界內(nèi)部，那么就再也無法出來或者和任何人聯(lián)絡(luò)了。此外，視界也 是時間和空間屬性顛倒的地方，在視界內(nèi)，空間是類時的，時間是類空的。奇點，是黑洞奇異性的來源， 也就是黑洞中允許相對論和量子理論同時大規(guī)模作用于同一個 物體的源泉。任何接觸到奇點的物質(zhì) （包括場）必然被奇點摧毀， 被分解為純粹的基本粒子 和時空單體，即使是形成這個黑洞、 這個視界、這個奇點的恒星， 也將被它摧毀而不再對黑 洞產(chǎn)生任何影響。2）克爾黑洞及紐曼黑洞克爾在史瓦西解的基礎(chǔ)上， 讓這個黑洞模型旋轉(zhuǎn)起來， 從而得到了克爾解所描

25、述的黑洞。 別 小看這個旋轉(zhuǎn)， 在黑洞強大的引力下， 不僅僅要考慮旋轉(zhuǎn)引起的離心現(xiàn)象， 還要考慮黑洞對 外部時空的拖曳、 對內(nèi)部時空的擾動， 以及相應(yīng)的黑洞結(jié)構(gòu)的改變和從而產(chǎn)生的影響。 因此， 克爾黑洞的結(jié)構(gòu)比史瓦西黑洞復(fù)雜了許多。 在克爾黑洞的最外層，由于旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生對周圍時空的拖曳效應(yīng)（倫斯梯林效應(yīng)） ，存在 著一個判斷物體是否可以靜止于時空中的靜止界面。 靜止界面外的物體， 可以通過推進器等 裝置在被拖曳的時空旋渦中相對于極遠處的觀測者靜止不動，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定， 物體一定會被黑洞的強大引力拖動， 開始旋轉(zhuǎn)。 在這個界面內(nèi)部， 和史瓦西黑洞一樣存在著 視界，但是要比史瓦西視界更加復(fù)

26、雜，因為在這里，視界分為兩個：內(nèi)視界和外視界。外視 界是物體能否與外界通訊的分界面， 而內(nèi)視界是奇點的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面。 也 就是說，進入外視界的物體，必定會被吸入奇點， 然后被摧毀，但是還可以在達到內(nèi)視界以 前享受一段相對 “安寧” 的日子，而一旦進入了內(nèi)視界， 那么任何物體都會在內(nèi)視界中奇點 奇異性質(zhì)的面前屈服， 在達到奇點以前便被摧殘殆盡。 在外視界和靜止界面之間， 有一個相 對十分廣闊的區(qū)域，叫“能層” 。在能層中蘊藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)能。從理論上，可以在 靜止界面外建立一個空間站， 然后利用拋物投射來提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能， 得到幾乎無窮盡的能 源。此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)

27、帶來的拖曳會將時空撕裂，從而產(chǎn)生穿越時空的蟲洞。 在內(nèi)視界內(nèi)部， 和史瓦西黑洞一樣有一個奇異性質(zhì)匯聚的地方， 但是不像史瓦西黑洞那樣是 一個奇點， 而是一個獨特的奇異環(huán)， 一個充滿了量子效應(yīng)奇異性質(zhì)的面， 安靜地平躺在黑洞 赤道面上。在克爾成功之前， 雷斯勒和諾斯特朗姆分別獨立地發(fā)現(xiàn)了帶電的史瓦西黑洞解， 提出了雷斯 勒諾斯特朗姆黑洞模型（以下簡稱為 RN 黑洞）。但是由于種種原因，他們的工作沒有 得到像史瓦西黑洞和克爾黑洞這樣的重視。 直到紐曼將愛因斯坦場方程的克爾解和雷斯勒 諾斯特朗姆解融合在一起， 在量子理論全面介入黑洞研究領(lǐng)域以前， 即得到了一個描述黑 洞的、符合自然的愛因斯坦場方程的

28、完整解紐曼黑洞。3）超級大黑洞一些大黑洞的質(zhì)量可以達到10 '106個太陽，而最近發(fā)表的消息表明， 已經(jīng)探測到了質(zhì)量可達到 30 億倍太陽的超大黑洞。什么過程能夠產(chǎn)生出如此巨大的黑洞呢？已經(jīng)知道3 種這樣的過程。第一種 是早期宇宙中團塊的凝縮；第二種 是由于作為黑洞特征性質(zhì)之一的質(zhì)量不可逆增長的趨向 （對現(xiàn)在的情況， 微型黑洞的 量子蒸發(fā)當(dāng)然完全可以忽略） ，條件是周圍環(huán)境的物質(zhì)足夠豐富，因而一個由超新星產(chǎn)生的 初始質(zhì)量為 10倍太陽質(zhì)量的“恒星級種子”能夠長成巨型黑洞；第三種 則是由恒星團的引力坍縮而直接形成。 除了可能的原初起源之外，巨型黑洞的形成需要大量的以恒星或星際氣體形式存在

29、的物質(zhì)， 還需要這些物質(zhì)被限制在一個足夠小的區(qū)域內(nèi)， 因而其演化過程是由引力支配的。 宇宙中物 質(zhì)在星系里的集中程度遠勝于星系際空間（至少能發(fā)光的物質(zhì)是如此），而星系內(nèi)物質(zhì)最集中的部分是其核心。假若有巨型黑洞，則星系核心是首先應(yīng)該搜尋的好去處。 多年來，無人能確定活躍星系中間是否真的有超級黑洞。 于是，在尋找超級黑洞之前， 首先 要證明它的存在。1983年，一位名叫阿倫德雷斯勒的天文學(xué)家來到美國加州的帕羅瑪太 空望遠鏡基地， 他相信自己已經(jīng)找到了一種能證明超級黑洞存在的方法。他認為， 如果存在黑洞，其引力必定會對附近經(jīng)過的恒星造成影響， 超級黑洞的巨大引力一定會將環(huán)繞黑洞運 行的恒星加速至超過

30、 5 x 105km/ h （ h-小時）。這樣，通過測量恒星的移動速度，就能知道 在活躍星系中心是否存在黑洞。德雷斯勒選擇了“NGCI068”活躍星系作為研究對象，為查明“ NGCI068”中的恒星是否移動得很快，就需要與沒有黑洞的星系中的恒星運動速度進行 比較。 沒有黑洞的星系中心引力較弱， 所以環(huán)繞無黑洞星系中心運動的恒星速度就較慢。 德 雷斯勒選擇了與地球所在的銀河系相鄰的 “仙女座” ，它和銀河系一樣， 都具有一個不活躍 的中心。為測量這兩種星系中恒星的速度，他使用了一種叫做“分光鏡”的儀器。當(dāng)恒星環(huán) 繞星系中心運動時， “分光鏡”的鏡頭中，星系是一條白色的帶子，而恒星圍繞星系中心的

31、 運動則由一條暗色的垂直線來跟蹤。 假如恒星的運動很慢， 則暗線不會顯示出什么改變； 反 之，如果恒星的運動速度很快，暗線就會呈現(xiàn)出很陡然的改變。在接下來的連續(xù)數(shù)個夜晚，德雷斯勒分別測量了 “ NGC1068'和仙女座中的恒星的運動速度。望遠鏡觀察的結(jié)果，簡直出乎他的意料。盡管他對活躍的“NGC1068'中心存在有黑洞的信心十足，但可惜的是，來自那里的圖像根本無法辨別。原因很簡單一一“NGC1068”實在是太遙遠了， 望遠鏡根本無法拍下它的清晰圖像。可是，當(dāng)他把目光轉(zhuǎn)向仙女座時，這個他原本以為很平靜的星系， 卻令他大吃一驚。 分光鏡中的圖像顯示， 圍繞仙女座中心運動的恒星 速度

32、竟然接近150km/s，達到5 x 105km / h。對此，只可能有一種解釋：仙女座中央存在著 超級黑洞。 無獨有偶， 另一位天文學(xué)家?guī)缀踉谕瑫r也有了同樣的發(fā)現(xiàn)。這兩位科學(xué)家所銀河系以外的其它大星系的中發(fā)現(xiàn)的， 正是自然界最可怕的力量超級黑洞存在的證據(jù)。 心，都有可能存在著超大黑洞。4）原始黑洞原始黑洞是由霍金提出來的。 20 世紀 70 年代霍金將量子理論用于宇宙的創(chuàng)生，創(chuàng)立了“量 子宇宙學(xué)”，提出了“各種形狀和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成”的說法。宇宙大爆炸 的巨大沖擊力， 甚至可以將物質(zhì)擠壓成體積比原子還小的微型黑洞， 它們中有的至今依然在 宇宙空間飄蕩。文獻和報道中提到的 “微型黑

33、洞”其實有兩種，一種是霍金提出來的微型黑洞，它就是體積 比原子還小的微小體積黑洞；另一種則是特羅緬柯等人提出來的質(zhì)量 10 微克左右，到處都 有的“微小質(zhì)量黑洞” ，它就是質(zhì)量小到 10 微克左右的微型黑洞。 為了分清這兩個概念，本 書特稱霍金的“原始微型黑洞”稱為“小黑洞”或“原始小黑洞” ，稱特羅緬柯的 10 微克左 右的“微小質(zhì)量黑洞”為“微型黑洞” 。（1）. 原始黑洞的來源 150 億年前，剛剛生成的宇宙并不是一鍋均勻平靜的“湯” ，由于 微小漲落的激發(fā)， 物質(zhì)在自身引力作用下趨于聚集成團塊。 某些漲落不僅能夠增長， 而且可 以與整體膨脹相脫離。在凝聚過程中，團塊相對于周圍環(huán)境的密度

34、比， 將無限制地增大。由 于原初的宇宙， 物質(zhì)密度很大， 這種密度比就很小，即使團塊總質(zhì)量已有幾百倍太陽， 其密 度比也不超過（ 1+10-3）：1。今天，對同樣的團塊質(zhì)量而言，密度比依然已在105：1 以上；而太陽型恒星與星際介質(zhì)的密度比更大，達到1030：1。原初宇宙中那些大幅度的漲落會使質(zhì)量比星系小得多的物質(zhì)首先凝聚成由引力控制的物體。正是引人這樣一種機制，史蒂芬霍金于1971年創(chuàng)建了原始黑洞的概念。那種由恒星坍縮而形成的黑洞質(zhì)量在 3.5 倍太陽的量級，對原初黑洞是沒有意義的，各種形狀和尺度的黑洞 都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的原始微型黑洞。這就是原始黑洞的來源。（2）.

35、 原始黑洞的發(fā)射效應(yīng)與吸積效應(yīng)霍金從理論上證明了原始黑洞通過所謂“隧道效應(yīng)”可以放射出物質(zhì)和輻射， 特別是原始微型黑洞 “具有黑體輻射形式的質(zhì)量蒸發(fā)” 。 霍 金揭示，黑洞的壽命與其質(zhì)量的立方成正比， 所以黑洞的質(zhì)量越小，蒸發(fā)得就越快。質(zhì)量為 1 噸的黑洞會在 10-10 秒內(nèi)蒸發(fā)光，而質(zhì)量為 100 萬噸的黑洞則能存在 10年。只有那些壽 命比宇宙年齡（ 150 億年）長的微型黑洞才能維持到今天，這類黑洞的初始質(zhì)量最少也得有 10 億噸，這大約是一座山的質(zhì)量，而其半徑卻只有 10-13 厘米，如同質(zhì)子一樣大小。質(zhì)量 更大的黑洞的蒸發(fā)時間要比宇宙年齡還長許多，例如，1 倍太陽質(zhì)量的黑洞其壽命大

36、約是1066 年。這個巨大的數(shù)字并不出人意外，因為蒸發(fā)是一種量子現(xiàn)象，只發(fā)生在與基本粒子 直徑相當(dāng)?shù)臉O小尺度上。 因此， 對于那些質(zhì)量比一座山大的黑洞來說， 無論它們是在宇宙早 期形成的還是后來在超新星爆發(fā)時形成的， 蒸發(fā)完全成為無關(guān)緊要的現(xiàn)象。 這是由于大黑洞 質(zhì)量增大的速率超過了其自身蒸發(fā)的速率，即“大黑洞的吸積效應(yīng)大于發(fā)射效應(yīng)”，而與此相反的是，“原始微型黑洞的吸積效應(yīng)小于發(fā)射效應(yīng)” ，其質(zhì)量蒸發(fā)就成為不可忽視的現(xiàn)象。 霍金還指出，以當(dāng)前宇宙的背景溫度 2.7K 而論，按照熱力學(xué)定律，那些今天仍存在的原初 黑洞中，只有質(zhì)量小于 1026 克的（相當(dāng)于月亮的質(zhì)量，而半徑只有 0.l 毫米）

37、才能有高于 2.7K 的溫度， 因而才能蒸發(fā)， 把能量傳給周圍介質(zhì)； 而質(zhì)量更大的黑洞則只會吸收宇宙能量 而增大自己的尺度。總之，質(zhì)量小于 1015克的黑洞已經(jīng)蒸發(fā)掉了，質(zhì)量在 1015克到 1026 克之間的黑洞現(xiàn)在正在蒸發(fā)，而質(zhì)量在 1026 克以上的，包括由恒星演化形成的“第二代” 黑洞，則都正在吸積物質(zhì)增大自己。霍金還提出，原始小黑洞能被太陽捕獲， 并逐漸地朝日心下落，與人們的直覺相反，太陽不 會被這個小黑洞吃掉， 小黑洞可以在太陽里存在很長時間而沒有任何可覺察的影響， 只有在 黑洞迅速增大的情況下太陽才有危險。 而事實上， 被黑洞吞噬的太陽物質(zhì)在消失之前會發(fā)出 很強的輻射， 輻射壓對

38、外部物質(zhì)的推斥作用將限制黑洞的增長速度。 被吞噬的物質(zhì)流與被釋 放的能量流它們相互制約， 使得黑洞周圍區(qū)域就像一個極其穩(wěn)定的核反應(yīng)堆。 這個有著 “黑 心”的太陽將平靜地繼續(xù)著它的主序星的生涯，很難覺察到它的活動有什么改變。(3) . 原始小黑洞的爆發(fā)極為罕見能觀測到一個質(zhì)量適當(dāng)因而正在蒸發(fā)的黑洞嗎？可能，但極為稀少。霍金的計算表明，在最后的 1 秒， 蒸發(fā)變成爆炸，黑洞被突然地摧毀， 其質(zhì)量被轉(zhuǎn)變成 能量。這種能量以一種高強度的丫射線爆發(fā)的形式消散，至少原則上在距離為30光年的范圍內(nèi)可以探測到這類 丫射線暴。1908年6月30日早晨7點14分，俄羅斯北部的西伯利亞， 發(fā)生了一次非常奇怪的空中

39、大爆炸。 至今，爆炸的原因還沒有查出來。 科學(xué)家猜測，爆炸原 因之一可能是一個質(zhì)量比小行星大而體積比原子還小的小黑洞造成的。丫輻射所轉(zhuǎn)移的能量平均要比可見光輻射強100萬倍。這種輻射因而有著強穿透性， 如果不是被地球的上層大氣阻擋，它對地球上的生物將有致命危險。觀測宇宙丫輻射的一種方法是利用大氣本身對簇射粒子的“切論可夫(Cerenkov)輻射”現(xiàn)象。丫射線光子在穿過大氣上層時， 會把自己的能量轉(zhuǎn)變成物質(zhì)， 產(chǎn)生粒子和反粒子的簇射。這些粒子在產(chǎn)生的瞬間，其 運動速度等于真空中的光速，要比空氣中穿過的光子還要快。這種空氣介質(zhì)中的“超光速” 粒子進人地球的電磁場， 類似于超音速飛機， 也會形成沖擊

40、波，不過不是產(chǎn)生聲暴，而是產(chǎn) 生一種可見光的閃耀，這就是所謂“切論可夫(Cerenkov)輻射”。這種輻射很容易在地面上探測到，因而長期以來被用以測量從宇宙空間到達地球的丫輻射流。由切倫可夫“閃光”探測到，丫輻射暴平均每年有幾次，但是，它們并不具有原始小黑洞爆發(fā)的特征。盡管如此，人們認為仍可能有許多小黑洞已在不久前爆發(fā)，并為背景丫輻射做出了部分貢獻。一個名為SAS2的衛(wèi)星已對彌漫丫輻射作了精確測量。這種輻射的強度非常低， 即使假設(shè)這些輻射全都來自黑洞爆發(fā)， 推算可得平均每立方光年體積內(nèi)包含的原始黑洞也不 可能多于 200 個。依此分布來看，最靠近地球的原始小黑洞也應(yīng)在遠離太陽系的地方。小黑洞爆

41、發(fā)時發(fā)射的粒子將與銀河系的磁場作用， 產(chǎn)生出 “特征射電波”來。 由于對射電波 的探測要比對丫輻射容易得多，所以小黑洞的爆發(fā)應(yīng)當(dāng)能用大型射電望遠鏡探測到，然而卻從來沒有過。這一事實對小黑洞爆發(fā)的額度給出了更嚴格的限制：平均每立方光年體積每 300 萬年里不可能超過一次?？傊|(zhì)量像一座山的正在蒸發(fā)或爆發(fā)的原初小黑洞可能存在，但是極為稀少。(4). 原始黑洞的特點歸納一下，原始黑洞應(yīng)該具有如下特點：a. 原始黑洞既具有“吸積效應(yīng)”也具有“發(fā)射效應(yīng)”和溫度原始黑洞能夠“放出物質(zhì)和輻射”，意味著它具有溫度。根據(jù)推算，當(dāng)前具有一噸質(zhì)量的原 始小黑洞，其溫度為 1020 （1萬億億）K,實在驚人！而尋常

42、黑洞的溫度理論上接近絕對零度，例如一個晚期恒星形成的黑洞，溫度W10-8 （億分之一）Ko在原始黑洞中， 大黑洞的吸積效應(yīng)大于發(fā)射效應(yīng)， 因而其質(zhì)量增大的速率超過了自身蒸發(fā)的 速率， 蒸發(fā)顯得無關(guān)緊要； 小黑洞的吸積效應(yīng)卻小于發(fā)射效應(yīng)， 其自身蒸發(fā)的速率超過了質(zhì) 量增大的速率，因而小黑洞的質(zhì)量總在不斷減少，而溫度則不斷升高，這種過程不斷升級， 直到黑洞完全蒸發(fā)掉為止。這是原始小黑洞區(qū)別于尋常黑洞的一個重要特征。如果在我們的太陽系中能找到這種原始小黑洞， 那么便給我們提供了巨大的能源： 從原始小黑洞引出來的 能量，能使人類跨過核能時代而進入一個新能源時代。b. 原始黑洞的現(xiàn)狀與結(jié)局產(chǎn)生于宇宙大爆

43、炸之后的原始黑洞，其目前的狀況由其質(zhì)量的大小而定，質(zhì)量小于1015克的黑洞已經(jīng)蒸發(fā)掉了， 質(zhì)量在 1015 克到 1026克之間的黑洞現(xiàn)在正在蒸發(fā)， 而質(zhì)量在 1026 克以上的，包括由恒星演化形成的尋常黑洞，則都正在吸積物質(zhì)增大自己。5）微型黑洞原蘇聯(lián)物理學(xué)家特羅緬柯等人于 1991 年提出了“微小質(zhì)量的黑洞存在于一切空間”的 假說，引起一些科學(xué)家的關(guān)注。他認為這種微型黑洞在地球上也存在。例如美國夏威夷群島的火山之所以仍在活動， 就是因為地球地幔中隱藏著這類微型黑洞， 成為使巖漿處于沸騰狀 態(tài)的熱源，而微型黑洞所發(fā)射的中微子數(shù)量是太陽的 1000倍，因此在火山內(nèi)部較易觀測到 中微子。（1）.

44、 微型黑洞的來源一些物理學(xué)家認為， 高能宇宙射線與地球大氣分子碰撞時，可能產(chǎn)生微小質(zhì)量黑洞。這些黑洞的質(zhì)量如此之小， 只有 10微克左右， 并且非常不穩(wěn)定， 可能在 10 -27這樣短的時間里 就會爆炸成為一簇粒子，像下雨一樣簇射地球大氣層。希臘克里特大學(xué)的塞奧佐魯?托馬拉斯與兩位俄羅斯合作者提出，如果上述微型黑洞產(chǎn)生和湮滅的情景是真的， 最近 30 年來設(shè)置在高山上的宇宙射線探測器發(fā)現(xiàn)的神秘 “半人馬” 現(xiàn)象， 就能得到合理解釋。這種奇異現(xiàn)象的特點是，探測器反常地捕捉到大量帶電的、由夸克組成的粒子， 而且探測器底部捕捉到的粒子比頂部多得多。 科學(xué)家以神話中頭小身軀大的 半人馬來比擬它。過去

45、30 年間，高山探測器共發(fā)現(xiàn)了超過 40 次“半人馬”現(xiàn)象?？茖W(xué)界對 此現(xiàn)象提出了多種假說， 托馬拉斯等人認為微型黑洞的解釋比較合理。 他們推算了高能粒子 產(chǎn)生的微型黑洞在探測器附近爆炸時產(chǎn)生的信號，發(fā)現(xiàn)與探測器實際記錄到的信號吻合。如果這一理論是正確的， 將有著非常重要的意義： 這不僅意味著微型黑洞的確存在， 也 為高維宇宙理論提供了依據(jù)。 歐洲粒子物理實驗室將于 2007 年開始運行的大型強子對撞機， 由于可產(chǎn)生足夠高能的粒子，因而每天能夠制造出成千上萬的微型黑洞。大型強子對撞機建成后將是世界最大的粒子加速器， 它可以用長達 27km 的環(huán)形隧道加 速粒子， 然后使它們相撞， 創(chuàng)造出與宇宙

46、大爆炸之后萬億分之一秒時的狀態(tài)類似的環(huán)境和條 件。美國斯坦福大學(xué)和布朗大學(xué)的科學(xué)家在美國 物理評論快報 上說， 大型強子對撞機還可能 以每秒 1 個的速度制造極為微小的黑洞。(2). 能量巨無霸“歐頓”對大多數(shù)人來說， 充滿魔力的黑洞似乎是遙遠宇宙中的事， 離我們還很遙遠。 但早在上 世紀 80 年代，加拿大“不列顛哥倫比亞大學(xué)” 的威廉?昂魯教授就提出 “人造黑洞” 的設(shè)想。 2001 年 1 月， 英國圣安德魯大學(xué)著名理論物理科學(xué)家烏爾夫?利昂哈特宣布，他和其他英國科研人員將在實驗室中制造出一個黑洞。 當(dāng)時人們覺得那不過是一個謊言， 因為根據(jù)常識只 有恒星的爆炸才可能產(chǎn)生黑洞。俄羅斯科學(xué)家也指出，宇宙黑洞的“小親戚”-微型黑洞“歐頓” ( Otone， 1971 年該名稱在前蘇聯(lián)首先出現(xiàn) )在地球上無所不在，并且給人類帶來許多麻煩和災(zāi)難。一個“歐頓” 的質(zhì)量是一個原子的 40 倍，如果人們掌握了如何控制 “歐頓”，不但能為人類開辟新的能源， 同時也能生產(chǎn)出摧毀性的恐怖武器黑洞炸彈， 即使是像原子核大小的歐頓， 也比世界上 任何核電站的威力都要大。 一個這樣的黑洞炸彈的威力相當(dāng)于數(shù)百萬顆原子彈， 一旦它爆炸， 可以