(一)黑洞理論的形成過程。黑洞并不是科學家在一夜之間突然想到的,1783年,英國地理學家約翰·米歇爾便已經意識到:一個致密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。1798年,法國科學家拉普拉斯就根據牛頓力學理論推測:'一個直徑像地球、密度為太陽250倍的發(fā)光恒星,在其引力作用下,將不允許它的任何光線到達我們這里'。
1915年,愛因斯坦發(fā)表廣義相對論,幾個月后德國的物理學家卡爾·史瓦西在愛因斯坦的重力場方程式中,找到一個精確解。史瓦西的精確解導出所謂的史瓦西半徑,也就是一個不旋轉且不帶電的黑洞大小,在這個黑洞半徑內,任何東西都無法逃脫,包括光。這種'不可思議的天體'被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為'黑洞'。當代物理學認為'黑洞是廣義相對論預言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個封閉的邊界,稱為黑洞的'視界';外界的物質和輻射可以進入視界,視界內的東西卻不能逃逸到外面去。黑洞無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與質量,并且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的'邊緣訊息',可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行軌跡取得位置以及質量。
2019年4月10日21時,人類首張黑洞照片面世,該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,質量約為太陽的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個陰影,周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。
以上關于黑洞的理論分析的有鼻子有眼的,甚至還有照片,讓人不由得不信。我們目前似乎也沒有辦法去反駁,想要反駁似乎也無從下手,因為黑洞距離我們太遠了,我們又不可能自己做一個黑洞出來。怎么辦呢?思路決定出路,如果我們連黑洞的問題都理不清,又怎樣推動當代物理學進入后量子力學時代呢?接下來就是見證奇跡的時刻了。
(二)黑洞不可能是全黑的。通常情況下,人們認為黑洞是一種特殊的天體,由于它的引力場特別強以至于連光也不能從其表面逃脫出來。在上一節(jié)《光子在引力場中的受力分析》中我們指出:光的衍射條紋是光在單縫引力作用下形成的,紅光的衍射條紋寬而紫光的衍射條紋窄;光子在引力場中加速度與其半徑成反比,質量越小的光子在引力場中的加速度越大而質量越大的光子在引力場中的加速度越小。光的衍射現(xiàn)象已經很清楚地證明了在相同引力作用下,紫光的偏移量小而紅光的偏移量大(因為紫光質量大于紅光質量)。
據此我們得到一個很自然的推論:由于質量越小的光子在引力場中加速度越大,所以當星體引力逐漸增大時,首先是能量較小的光子無法逃脫星體引力的束縛;當星體引力繼續(xù)增大時,能量較大的光子也無法逃脫星體引力的束縛;當星體引力足夠大時甚至X射線也無法逃脫星體引力的束縛。舉個實例來說,當星體引力逐漸增大時,先是從星體表面發(fā)出的無線電波無法逃脫星體引力的束縛從而無法離開星體;當星體引力繼續(xù)增大時,紅外線無法離開星體;當星體引力再繼續(xù)增大時,可見光無法離開星體;當星體引力再繼續(xù)增大時,紫外線無法離開星體;當星體引力足夠大時,甚至X射線也無法離開星體??傊?,我們的結論就是:隨著星體引力的增強,先是能量小的光子不能擺脫星體引力束縛,其次才是能量大的光子無法擺脫星體引力束縛,最后才是能量極大的光子無法離開星體表面。認為任何光線都無法從黑洞表面離開是極端錯誤的,認為無論黑洞大小、引力如何,任何物質都不能從其表面離開的觀點也是極端錯誤、異想天開的觀點。
上圖是星系光譜紅移示意圖,圖中上面一幅是我們在實驗室里觀測到的某種元素的吸收光譜,表現(xiàn)為特定幾條暗線,下圖是我們觀測到的星體的吸收光譜,從譜線上看暗線條數(shù)完全對應只不過向紅端移動了一定距離。通常認為從星體表面發(fā)出的光遠離星體時要克服引力做功,所以光的能量就會減?。ǖ刃в陬l率降低、能量降低),在譜線表現(xiàn)為向紅端移動了一定距離。根據我們的推理,星系光譜在發(fā)生紅移時,總是能量較小的光子移動距離大而能量較大的光子移動距離小,也就是說紅端光子移動的距離大于紫端光子的移動距離,這就造成紅移光譜譜線之間的距離大于正常光譜譜線之間的距離。
最后我們強調:認為黑洞有大有小、引力有強有弱,但是任何光線都不能從黑洞表面離開是極端錯誤的。那么,黑洞到底存不存在呢?我們持懷疑態(tài)度。請繼續(xù)關注物理前沿探索者。