随着我们对黑洞这类天体的认识不断加深,人们对它们的兴趣也日益浓厚。最新消息是,科学家发现了一个罕见的“中等质量”黑洞,它是黑洞家族中的一位新成员。
我们早已知道,有些黑洞的质量只有太阳的几倍,而另一些的质量则超过太阳的十亿倍。但介于两者之间的黑洞却出奇难寻,例如最近在杜鹃座47星团中发现的一个黑洞,其质量是太阳的2,200倍。
那么,黑洞究竟有何魅力?这些引力牢笼会捕获任何靠得太近的东西,为何能如此吸引各年龄、各行各业的人们?
“暗星”
早在1783年,英国哲学家兼数学家约翰·米歇尔就在牛顿力学框架下提出了“暗星”的概念:这类天体密度极高,连光都无法逃脱其引力。。
1915年,阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论,取代了牛顿对宇宙的描述,并揭示了空间与时间之间的紧密联系。此后不久,德国人卡尔·史瓦西和荷兰人约翰内斯·德罗斯特分别推导出了适用于球体或点质量的新方程。
当时,这个问题仍只是一个数学上的趣题。然而,在随后的四分之一个世纪里,核物理学家认识到,质量足够大的恒星会在自身重力作用下坍缩,成为此前理论所预言的黑洞。
最终,天文学家借助强大的望远镜证实了黑洞的存在。近来,人们还发现,碰撞的黑洞是引力波的来源;美国的LIGO探测设备探测到了这些引力波。
致密天体
这类天体的密度令人难以想象。如果太阳变成黑洞,就必须从目前直径140万公里的大小坍缩至直径不足6公里。在这个“史瓦西半径”范围内,其平均密度将接近每立方厘米200亿吨。
越靠近黑洞,引力的强度和吸引力就越大,变化可能十分惊人。
在地球上,地心引力将你固定在地表,在你脚部和头部的强度大致相同,尽管头部离地球稍远一些。
但在一些黑洞附近,从头到脚所受引力的差异极大,会把你撕裂,并拉伸到原子尺度。这一过程称为意大利面化。
1958年,美国物理学家戴维·芬克尔斯坦率先认识到后来被称为黑洞“事件视界”的真正本质。他将黑洞周围的这一边界描述为完美的单向膜。
它是一个无形的表面,包围着一个有去无回的球体。一旦进入其中,黑洞的引力就强到无法逃脱——连光也不例外。
1963年,新西兰数学家罗伊·克尔解出了更贴近现实的旋转黑洞方程。这些方程得出了闭合类时曲线,允许物体向过去穿越时间。
此类广义相对论方程的奇异解,最早见于奥地利裔美国逻辑学家库尔特·哥德尔1949年的研究。人们通常认为,这些解必定是一种尚待解释和排除的数学伪象。
黑洞与白洞
1964年,美国作家安·尤因和理论物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”一词。随后在1965年,俄罗斯理论天体物理学家伊戈尔·诺维科夫提出了“白洞”一词,用来描述假想中与黑洞相反的天体。
这一设想认为,如果物质落入黑洞,那么它或许会从白洞喷射出来,进入我们的宇宙。
这一想法部分源自一个名为爱因斯坦—罗森桥的数学概念。奥地利物理学家路德维希·弗拉姆于1916年从数学上发现了这一概念;1935年,爱因斯坦和美籍以色列物理学家内森·罗森重新提出了它。后来,惠勒将其称为“虫洞”。
1962年,惠勒和美国物理学家罗伯特·富勒解释了为何此类虫洞不稳定,甚至无法在同一宇宙中传送一个光子。
事实与虚构
毫不奇怪,进入一个(黑洞)通道、再从宇宙中别处重新出现——无论是在空间和/或时间上——这一设想催生了无数科幻故事,包括《神秘博士》、《星际之门》、《危机边缘》、《太空历险记》以及迪士尼的《黑洞》。
仍在播出的影视作品可以直接设定角色前往另一个宇宙,或与我们所在宇宙平行的宇宙。尽管从数学上看这似乎可行,但当然没有物理证据能够证明这类宇宙存在。
但这并不意味着时间旅行至少在有限意义上并非真实存在。当人以极高速度旅行,或者可能坠入黑洞时,相对于静止观察者所经历的时间,时间流逝确实会变慢。
搭乘飞机快速绕地球飞行的时钟已经证明了这一点:它们显示出的时间差符合爱因斯坦的狭义相对论。
2014年上映的电影《星际穿越》利用了黑洞周围的这一效应,让宇航员库珀(由马修·麦康纳饰演)产生了向未来穿越的感觉。
尽管“黑洞”这个名字莫名地讨人喜欢,但它或许有些误导性。这个词让人以为时空中有一个洞,物质会落入其中;实际上,物质是落到一个密度极高的天体上。
黑洞事件视界内究竟存在什么,仍有激烈争论。人们试图理解这一问题,其中包括弦理论中的“模糊球”图景,以及量子引力理论对黑洞的描述,例如“自旋泡沫网络”或“圈量子引力”。
有一点似乎可以肯定:在未来一段时间里,黑洞仍将令我们着迷、引人入胜。

