揭开黑洞之谜

A composite of separate exposures taken in 2003 to 2012 with Hubble's Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3 of the evolving universe is shown in this handout photo provided by NASA, June 3, 2014. Researchers say the image, from a new study called the Ultraviolet Coverage of the Hubble Ultra Deep Field, provides the missing link in star formation. Made from 841 orbits of telescope viewing time, it contains approximately 10, 000 galaxies, extending back in time to within a few hundred million years of the big bang, according to NASA. REUTERS/HUDF/NASA/Handout via Reuters (OUTERSPACE - Tags: SCIENCE TECHNOLOGY) ATTENTION EDITORS - FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS. THIS IMAGE HAS BEEN SUPPLIED BY A THIRD PARTY. IT IS DISTRIBUTED, EXACTLY AS RECEIVED BY REUTERS, AS A SERVICE TO CLIENTS - RTR3S21L
Our fascination with black holes continues to grow as our astronomical knowledge expands.Image: REUTERS/HUDF/NASA
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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。

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