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道神居

地生万物以养人,缘何夺物以奉天!!

 
 
 

日志

 
 

黑洞  

2008-02-24 21:04:47|  分类: 宇宙与原子 |  标签: |举报 |字号 订阅

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绝对引力

  最常见的东西往往最易被忽视,即便它对维持正常世界不可或缺,也不免如此。引力就是最佳例证。若非三百年前有只苹果掉下来砸在一个伟大的脑袋上,人类认识引力恐怕还要多费些时日。
  假定有一台引力调节机,拨动其旋钮就能改变引力的大小,我们就会看到许多有趣的事。引力接近于0的状况,经常可以从电视上看到:航天飞机上的宇航员们,像慢镜头似地漂来漂去。假如他们不慎打翻了一杯茶,茶水就会在表面张力的作用下形成圆形的水滴,在空中跳动。此时引力若恢复到1g(即地球表面重力),宇航员就会重重地跌到地板上,随之而来的还一阵茶雨。
  宇航员在失重的太空中待久了,回到地面时就会很不适应,觉得全身沉重,走不动路,往往要锻炼好几个月才能恢复。同样,如果把引力调节机的旋钮调到3g或4g,我们这些人也会动弹不得,连移动一只脚也很费力。引力再强的话,大多数人都会吃不消的,还是赶快离开为妙。
  引力达到1000g时,树木就会被自身重量压扁;100万g时,石头也支撑不住而粉碎了,一切我们熟悉的东西都不能幸存,只有光线看上去还是直的——就人类分辨能力而言,基本上还是直的。引力达到10亿g时,不可思议的事情发生了:原来笔直射向天空的光束出现了明显的弯曲。
  如果引力继续加大,光线就会弯曲得如此厉害,以至于逆转回来射向地面。既然连光都不能逃脱引力的束缚,其它东西就更休想了。如果这时有谁不慎接近这片引力范围,就会陷进来再也出不去。一个具有如此强大引力的天体,将是一个对任何事物都只吞不吐的魔怪,一个无底的黑洞。

黑暗的边界

  黑洞也许是20世纪最重要的预言之一,如果编撰一本“百年预言”,黑洞是绝对不应被遗漏的。然而,很不幸只是预言而已,算作“百年发现”有点勉强,因为我们还没有找到什么确凿无疑的证据表明黑洞确实存在。
  严格说起来,黑洞的设想并非在20世纪才出现。早在1783年,英国英文学家约翰·米歇尔就考虑过有这种东西存在。1798年,法国著名的数学家兼天文学家拉普拉斯提出,根据万有引力定律计算,一个直径比太阳大250倍、密度与地球相当的恒星,其引力场将强得足以俘获它所发出的所有光线,从而成为暗天体。
  爱因斯坦提出广义相对论后,德国天文学家K·史瓦西于1916年提出了广义相对论球对称引力场的严格解,并在其中提出了黑洞设想。他认为,在高致密天体或大质量天体周围某一区域内,逃逸速度等于光速,任何物质和辐射都不能逸出。
  1939年,美国物理学家奥本海默根据广义相对论证明,一颗质量足够大的恒星(超过太阳质量的3.2倍),在自身引力的作用下,将能坍缩到它的引力半径范围内,它发射出的光线或其它粒子,都不能逃出这个范围。20世纪60年代,美国物理学家惠勒将这种天体命名为黑洞。从此这个名字就叫开了。
  黑洞并不是黑的,也不是一个空洞。它是一个实在的天体,如果我们能有特别豁免权,能进入黑洞的引力范围而不被撕碎,就会看到黑洞里面并不黑:逃逸不出去的光线,在里面四处乱转,把各处都照得亮晃晃的。
  黑洞的基本定义是,它是一个具有封闭视界的天体,外来的物质和辐射能进入视界以内,但视界内的任何物质都不能跑到外面。这个视界就是黑洞的边界。如果能够在外部从容地观察,我们就会看到一片有边界的绝对黑暗,完全像一个洞。

恒星的末日

  银河系中闪烁着约1000亿颗恒星的光芒,它们中的每一个都必将面临末日的到来。引力是始终存在的,但太阳的热核反应支持着太阳的外层,使悲剧性的重力坍塌延迟数十亿年到来。当氢消耗完之后,氦就继续聚变产生碳,碳又聚变成新的元素。元素越重,产生的能量愈少、消耗愈快,恒星就这样每况愈下地挥霍自身的燃料。
  当元素都聚变为铁的时候,核反应就到了极限。铁原子核是最稳定的,要让它继续聚变,不仅不能产生能量,反而要消耗巨大的能量。这时,恒星的生命也到头了。在濒死之际,恒星将进行一次超新星爆发,轰轰烈烈地结束自己的生命。不过,小质量恒星还坚持不到这一阶段,在氦开始燃烧的时候,它们就面临困境,产生超新星爆发。
  在爆发中,大量物质被抛向星际,组成新的天体,原来恒星的中心剩下一个致密的物质核。小质量恒星留下的是白矮星,它靠从原子核中脱离出来的电子压力来支撑,维持着平稳存在。大质量恒星则留下一颗中子星,它靠中子间的斥力抵消重力的影响。
  然而,如果中子星的质量足够大,斥力就会抵抗不住重力,从而发生猛烈坍缩,目前物理学家还没想出有什么办法能使中子星免于这种命运。于是,引力愈来愈强,最终,光线弯曲的程度如此严重,以致无法离开这个天体的表面。每一条发出的光线,都像我们在地面上向上扔出的石子一样,都被引力拉了回来。黑洞就这样产生了。
  据认为,具有足够质量的恒星大约占总数的1/1000,而这些大质量星中又只有1/1000能在超新星爆发后还会留下足够的物质,最终形成黑洞。然而即使如此,我们的银河系里也应该存在上百万个黑洞。如果真是这样的话,它们在哪里呢?

寻找黑洞

  既然黑洞不发出任何辐射、不抛出任何物质,用一般方式直接观测黑洞当然是不可能的。此外,尽管其引力场对邻近区域十分强大,但在星际距离上,其引力并不比普通恒星更强。所以通过引力观察它们也不现实。
  但在某些情况下,黑洞会在一些特殊的条件下存在,因而可能被探测到。假设一个黑洞是一个双星系统的一部分,与其伴星共同绕同一引力中心转动,该伴星是一颗普通的恒星。如果黑洞与其伴星靠得非常近,那么伴星上的物质就会一点一点被黑洞夺过去,并形成一个环绕黑洞的物质盘,被称为吸积盘。吸积盘里的物质会沿螺旋轨道落入黑洞,并在进入黑洞的过程中放射出X射线。这些X射线或许可间接地证明黑洞的存在。
  1965年,人们在天鹅座探测到一个特别强的X射线源,将它命名为天鹅X-1。据推测,它大约距离我们1万光年。1970年,世界第一颗X射线观测卫星“乌呼鲁”(斯瓦希里语“自由”的意思)升空,它发现天鹅X-1与其它X射线源不同,它忽隐忽现,频率快达每秒1000次,而且射线强度变化没有规律。这种不规律的变化,正是物理学家预料物质从吸积盘进入黑洞时将发生的状况。
  人们立即对天鹅X-1进行了仔细的搜寻,在它邻近的地方发现了一颗质量约为太阳30倍的炽热蓝色超巨星。经证实,这颗蓝星与天鹅X-1互相绕着对方旋转。从种种迹象来看,天鹅X-1体积非常小,密度远远超过中子星,似乎就是我们预想中的黑洞。天文学界并没有普遍接受这一假设,但大多数人相信,天鹅X-1将是第一个被证认的黑洞。此后,天蝎V861、仙后A等星体也被猜想是黑洞,但是并没有得到确认。
  1999年美国宇航局发射“钱德拉”X射线望远镜,探测到一颗超新星周围物质喷出的大量X射线,科学家据此认为,这颗超新星中央存在黑洞。该望远撞拍摄的另一张照片,显示了一个遥远类星体喷射出的X射线流达20万光年之远,其喷射出的能量可能相当于10万亿个太阳释放能量的总和。科学家认为,这样巨大的能量是从类星体中央的一个超大规模黑洞附近发出的。
  黑洞似乎最可能在恒星最密集和大块物质可能聚集在一起的地方形成。由于球状星团、星系核的中心区域具有这种特点,天文学家越来越相信,这种星团或星系的中心存在黑洞。有科学家认定,我们的银河系中心就有一个巨大的黑洞,其质量相当于1亿颗恒星,占银河系总质量的1/1000,直径为太阳的500倍。如果恒星接近它的速度足够快,也许会被它一口整个吞掉。

垃圾站与发电厂

  没有一种天体比黑洞更能说明引力的威势了。关于黑洞,曾有一个绝妙的假想实验:想象有一小球,譬如普通的台球,从远处落入黑洞。它钻入黑洞的视界后,便会从我们眼前消失,再也找不回来。但是,它在黑洞的结构中会留下曾经存在的一丝痕迹。黑洞吞没了这个球后,会稍稍变大一点。计算表明,小球将直接落入黑洞中心,黑洞增加的质量完全等于小球的质量,任何能量或质量都没有损失出去。
  我们来考虑另外一个实验。同样用一个小球,但它不是自由落体式地落向黑洞,而是系在一根带子上,缓缓向黑洞沉降。把这根带子穿过滑轮,连到一个可使带子放松的滚筒上。小球落向黑洞时会放出能量,通过与滚筒连在一起的发电机的转动,可将能量转化为电能。简单的计算表明,在理想情况下,小球落入黑洞,可使发电机产生的电能,相当于小球全部静止质量的能量。一个重100克的台球,落入黑洞后可以输出10亿度电,这比恒星的热核反应要强多了。即发电系统的效率不高,导致能量损失,这样输出的能量仍是可观的。
  为黑洞命名的物理学家惠勒曾假想,有那么一个文明世界,由于对能量的需求不断增加,人们便放弃了自己的恒星,在一个黑洞附近住下来。每天,这个社会产生的各种废物被装上卡车,并经过一条经仔细设计的轨道送入黑洞。这样,废物就一劳永逸地处理掉了。下落的废物释放出巨大能量,又可为文明世界提供能源。因此,这一过程具有彻底销毁一切垃圾和把它们完全转变成能量两大优点,不会有环境污染,也不会有能源危机。
  当然,这一图景是太理想了,只能想想而已。利用物质落入黑洞时释放的引力能,实际操作起来会有许多困难,即使能够实现,也肯定不是在可预见的将来。


时空极限

  黑洞里面是一种什么情景?如果有一位倒霉的宇航员,在驾驶飞船经过某个黑洞时不慎离它近了些,结果被引力拉入黑洞,在此过程中他会看到些什么呢?
  黑洞的边界并不是一种物质存在,那里并没有一层真正的“隔膜”,就像光明与黑暗的分界处并没有隔膜一样。这位宇航员在落入黑洞的视界时,并不会看到什么特别与众不同的情景。他还可以看见外部区域,因为外面的光线仍能进入黑洞。然而,我们永远也见不到他了。
  当宇航员越来越深入黑洞时,引力场变得更强了,而且会使他的身体变形。徜若他下落时脚在前面,那么双脚就比头更接近引力中心,所受的引力更强些。结果,他的脚受到的向下拉的力将比头更厉害,这样一来他就拉长了。与此同时,他的双肩会沿着向中心会聚的方向拉向黑洞中心,也就是肩膀受到向里的挤压。这个过程很像做拉面。
  理论研究表明,在黑洞中心,引力的增强是没有上限的。因为引力场表现为时空的弯曲,所以,随着引力的不断增强,时空扭曲也就无止境地越来越厉害。在黑洞中心,将是一个时空的奇点。它代表时间与空间的边缘,穿过这个边缘,正常的时空概念将不复存在。许多物理学家深信,这个时空奇点是名副其实的时空终结处,与它相遇的任何物质都将完全湮灭。如果确实如此,组成宇航员身体的原子将在1纳秒的超级拉面过程中在奇点里化为乌有。
  如果黑洞质量为1000个太阳质量(我们银河系中心的那个黑洞就是这样),这位宇航员从视界没向奇点的过程大概是3分钟。如果是1个太阳质量这样的小黑洞,从视界到奇点的旅程只需要几微秒。
  虽然对这位宇航员而言,毁灭前的时间只是一瞬,但从远处看来,黑洞的时间扭曲使宇航员最后的旅程表现为一种慢动作。当宇航员接近视界时,在他附近的事件发生的过程对遥远的观测者来说似乎变得越来越慢。事实上,他好像经经历无限长的时间才能到达视界。所以,宇航员在这短暂的死亡之疾奔中,经历了相当于外部宇宙无穷无尽的时间。从这个意义上说,黑洞是通往宇宙尽头的门槛,是一条宇宙死胡同,代表再也没有通路的最终实体。
黑洞是包含了时间尽头的狭小空间区域。谁要是对宇宙尽头感到好奇的话,只要跳进一个黑洞便可得到亲身体验。

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