黑洞是什么？是不是就是很黑的洞而已？

2023.04.08 云南

問(wèn)：黑洞是什么？黑洞是什么時(shí)候形成的？天文學(xué)家能看到黑洞嗎？黑洞的“視界”是什么？

答：黑洞是廣義相對(duì)論方程所預(yù)測(cè)的理論產(chǎn)物。當(dāng)一顆質(zhì)量足夠大的恒星發(fā)生引力坍縮時(shí)，它的大部分或全部質(zhì)量被壓縮到一個(gè)足夠小的空間，在那個(gè)點(diǎn)上產(chǎn)生無(wú)限時(shí)空曲率(奇點(diǎn))，在此時(shí)黑洞就形成了。如此巨大的時(shí)空曲率不允許任何東西逃離“視界”或邊界，就算是連光都不行。

盡管觀測(cè)結(jié)果與黑洞產(chǎn)生影響的預(yù)測(cè)相符，但黑洞從未被直接觀測(cè)到。存在少量替代理論來(lái)解釋這些觀測(cè)，比如磁層永久坍縮天體(MECOs)，雖然其中大多數(shù)觀測(cè)都避開(kāi)了黑洞中心的時(shí)空奇點(diǎn)，但絕大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，黑洞理論是這些觀測(cè)的最有可能物理解釋。

相對(duì)論之前的黑洞

在18世紀(jì)，有人提出超大質(zhì)量的物體可能會(huì)吸引光進(jìn)入其中。牛頓光學(xué)是一種視光為粒子的微粒理論。

約翰·米歇爾(John Michell)在1784年發(fā)表了一篇論文，預(yù)測(cè)一個(gè)半徑是太陽(yáng)半徑500倍(但密度相同)的物體，由于其表面的逃逸速度將達(dá)到光速，所以人類(lèi)無(wú)法觀測(cè)到它。然而，在20世紀(jì)隨著光波理論的興起，人們減弱了對(duì)這一理論的興趣。

在近代物理學(xué)中科學(xué)家很少提及這些理論產(chǎn)物，為區(qū)別于真正的黑洞，它們被稱(chēng)為“暗星”。

相對(duì)論中的黑洞

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論。幾個(gè)月后，物理學(xué)家卡爾·施瓦茨柴爾德(Karl Schwartzchild)提出了一個(gè)意想不到的結(jié)果—球形質(zhì)量愛(ài)因斯坦方程的解(稱(chēng)為施瓦茨柴爾德度規(guī))。

表示半徑的術(shù)語(yǔ)有一個(gè)令人不安的特征。似乎在一定半徑下，這一項(xiàng)的分母將變?yōu)榱悖@將導(dǎo)致這一項(xiàng)在數(shù)學(xué)上“爆炸”。這個(gè)半徑，稱(chēng)為Schwartzchild半徑，rs，定義為：

rs = 2 GM/ c 2

G是重力常數(shù)，M是質(zhì)量，c是光速。

事實(shí)證明，施瓦茨柴爾德的工作對(duì)理解黑洞至關(guān)重要，所以將他的名字翻譯成“黑盾”是一個(gè)奇怪的巧合。

黑洞的性質(zhì)

如果一個(gè)物體的質(zhì)量M在rs內(nèi)，我們認(rèn)為它是一個(gè)黑洞。從半徑來(lái)看黑洞重力的逃逸速度是光速，所以rs指視界。黑洞通過(guò)引力把物質(zhì)吸進(jìn)來(lái)，但這些物質(zhì)中沒(méi)有一個(gè)能逃脫。

黑洞常被解釋為物體或質(zhì)量“落入”其中。

Y看著X掉進(jìn)黑洞

在X到達(dá)rs時(shí)它將凍結(jié)，Y觀察到X上理想化的時(shí)鐘慢下來(lái)

在rs達(dá)到無(wú)窮大，Y觀察X紅移的光(此時(shí)X變得不可見(jiàn)——但不知何故我們?nèi)匀荒芸吹剿鼈兊臅r(shí)鐘。理論物理學(xué)是不是很偉大?)

理論上，X可以感知到明顯的變化，盡管一旦它穿過(guò)rs，它就不可能逃脫黑洞的引力。(即使是光也無(wú)法逃離視界。)

黑洞理論的發(fā)展

在20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢(qián)德拉塞卡推斷，任何質(zhì)量超過(guò)1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星(Chadrasekhar極限)在廣義相對(duì)論下必然會(huì)坍縮。物理學(xué)家阿瑟·愛(ài)丁頓相信某些性質(zhì)可以防止坍塌。從不同的角度看，他們都是對(duì)的。

羅伯特·奧本海默在1939年預(yù)測(cè)，一顆超大質(zhì)量恒星可能會(huì)坍縮，從而在宇宙中形成一顆“冰凍恒星”，而不僅僅是在數(shù)學(xué)上。坍縮似乎會(huì)減慢，因?yàn)閷?shí)際上在它穿過(guò)rs點(diǎn)的時(shí)候會(huì)凍結(jié)。恒星發(fā)出的光在rs點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷一次強(qiáng)烈的紅移。

不幸的是，許多物理學(xué)家認(rèn)為這只是施瓦茨柴爾德度規(guī)高度對(duì)稱(chēng)性質(zhì)的一個(gè)特征，他們認(rèn)為在自然界中這樣的坍縮實(shí)際上不會(huì)由于不對(duì)稱(chēng)而發(fā)生。

直到1967年，也就是rs被發(fā)現(xiàn)將近50年后，物理學(xué)家斯蒂芬·霍金和羅杰·彭羅斯才證明，黑洞不僅是廣義相對(duì)論的直接結(jié)果，而且是人類(lèi)無(wú)法阻止的坍塌。脈沖星的發(fā)現(xiàn)支持了這一理論，不久之后，物理學(xué)家約翰·惠勒在1967年12月29日的一次演講中為這一現(xiàn)象創(chuàng)造了“黑洞”一詞。

隨后的工作包括霍金輻射的發(fā)現(xiàn)：黑洞可以發(fā)射輻射。

關(guān)于黑洞的猜測(cè)

黑洞是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，吸引了不少想要“探險(xiǎn)”的理論家和實(shí)驗(yàn)者。今天，盡管黑洞的確切性質(zhì)仍有疑問(wèn)，但人們幾乎一致認(rèn)為黑洞是存在的。有些人認(rèn)為落入黑洞的物質(zhì)可能會(huì)在宇宙的其他地方重新出現(xiàn)，就像蟲(chóng)洞一樣。

黑洞理論的一個(gè)重要補(bǔ)充是霍金輻射，由英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金于1974年提出。