黑洞五大误传

作者：冰雪封情

　　黑洞是宇宙中最不可思议的天体。爱因斯坦提出相对论后的第二年，即1916年，史瓦西就在理论中发现了黑洞的存在。但直到1960年，科学家们才理解并接受了黑洞的存在。今天，黑洞已经广为人知,这个曾经仅仅存在于物理理论中的怪物已经被人们泛化到了许多层面,并赋予了它新的含义。

误传一：黑洞是时空旅行的通道

　　宇航员在执行任务时不幸遭遇了黑洞，当他们遭遇时已无力回天——他们无可避免的掉进了黑洞！但也不见得这就是一场灾难——在一些科幻作品中，黑洞被描述为通向宇宙其他地点、其他宇宙的大门，宇航员掉进黑洞后会幸运地到达宇宙的其他地方乃至另外一个宇宙！有一部电影的宣传语就是：“一次从万物终结之处开始的旅行。”

　　但不幸的是，终结就是终结，这里不会再有新的旅行。很多黑洞仅仅是大质量恒星的终结点。这些恒星的质量在太阳的10倍以上。在他们的一生中，总有两种不同的力量在相互抗衡：自身的引力向内施压，而内部热核聚变反应所产生的能量向外施压。当这两种不分伯仲的时候，恒星就处于较为稳定的状态。但恒星内部用于热核聚变反应的燃料终有一天会用尽，当这一天来临时，力量的悬殊就会显露出来。一旦引力占了上风，恒星就无可避免地向内坍缩，并且引力的作用会越来越强烈，随着恒星的物质越来越致密，它的逃逸速度变得越来越大。当恒星致密到逃逸速度大于光速时，一个黑洞就形成了。此时，即便是宇宙间运动速度的最快的物质——光——也无法逃离黑洞了。

　　另外，宇宙中还有一些质量非常巨大的黑洞，他们位于星系和类星体的中心。比如我们的银河系中心就有一颗质量超大的的黑洞，它的质量是太阳的400万倍。这些黑洞的形成过程还不完全清晰。但不论是恒星质量黑洞，还是超大质量黑洞，从天文学角度来看，都与时空之门无关，他们不过是天体的一种极端存在形式。

　　在时空旅行的幻想中，还常常出现虫洞，虫洞被认为是两个黑洞经过爱因斯坦-罗森桥连接而成的。1935年爱因斯坦和罗森提出了“爱因斯坦-罗森桥”，但这一理论并没有提及桥两端所连接的时空具有何种关系。于是在科幻中，宇航员从一个黑洞进入，会从另一个黑洞出去，这样就发生了时空旅行。但真实的情形是，到目前为止，天文学家在观测中已经发现了不少黑洞存在的迹象，却从未有任何证据证明虫洞的存在。虫洞目前仅仅是数学上计算的结果，可能永远也只是数学上的结果。

　　此外还有一种更为诡异的说法：黑洞可能与白洞相连，当一个人从黑洞进入后，可能由白洞出来。事实上，白洞也只是数学上与黑洞相对的结果，在自然界是否存在也很值得怀疑。而白洞与黑洞相连的说法也就显得更加不可能了。退一万步说，假设真的有黑洞与白洞相连，那么当一个人投身黑洞，那么早在他从白洞钻出来之前，他已经在黑洞的巨大潮汐力的作用下被撕得粉碎了。

误传二：黑洞会把所有的天体都吸进去

　　连光都无法逃脱黑洞的魔掌，更不用说其他物质了。不管是恒星还是行星，宇宙中的一切天体最终都会被黑洞吸进去，我们银河系中的超大质量黑洞最终会把整个星系都吃掉——这只是个时间问题。对吗？

　　不是这样的。事实上，黑洞不会吸任何东西。黑洞的引力与宇宙中其他天体的引力在性质上没有差别。对于远处的物体来说，黑洞的引力并不能把他们怎么样。假如我们的太阳突然变成了一个黑洞，那么这个黑洞并不会把太阳系中的大小行星都吃掉。我们的地球仍然在现在的轨道上运行，唯一明显的变化就是天气变得异常寒冷——因为缺少了阳光。

　　黑洞就像是水中的旋涡，只有当你离他太近的时候，他才会对你构成威胁。黑洞有一个史瓦西半径，只有当你越过了这个半径，你才会无法自拔地被吸进去。史瓦西半径可以从逃逸速度的方程中算得。在史瓦西半径范围内，连光都无法逃离。太阳的史瓦西半径是2.9千米，相比之下，太阳的半径是70万千米。当太阳变成黑洞，太阳系的大小行星都处于安全线之外。当然，我们的太阳是不会变成黑洞的，因为它的质量太小了。太阳最终会演化成为一颗白矮星。那些经历一系列演化之后中心质量在太阳2.5倍之上的的天体，才有可能成为黑洞。

　　那么，在史瓦西半径之内，黑洞的引力为什么会极为强大呢？在数学上，一个物体所产生的引力可以被看作是集中于一点的。对于球体来说，这个点位于球心。当你站在地球表面你距离球心是最近的，因而你感受到了地球球心所能带给你的最大的引力。假设某一天，地球开始向中心坍缩，那么站在地球表面的你就会随之移向地球的中心，也就是说你离地球中心越来越近这时你就会感觉到自己越来越重，因为你受到的引力越来越大。但是假如你站的位置不随着地面的变化而变化，那么你将不会感觉到引力有何变化。黑洞是一种极端的情况，理论上，天体演化为黑洞时，原先的物质会坍缩到体积为零，密度为无穷大，其他物质能够非常接近原天体的中心，因而受到极为强大的引力作用。

误传三：黑洞的密度无穷大

　　在广义相对论中，黑洞存在一个奇点，这个奇点的体积为零，密度为无穷大。任何物质跌进黑洞后，最终都会粉身碎骨地撞到奇点上。然而，奇点只是计算得来的产物，在真实的物理世界中应该不会出现。从量子辐射的角度来考虑，假如一个物体的密度无穷大，那么它是无法长时间存在的，它会在眨眼之间消失。实际上，从史瓦西半径计算公式很容易看出，黑洞的史瓦西半径的长度与黑洞的质量大小成正比。史瓦西半径给出了黑洞“视界”的大小，人们一般将黑洞视界内的体积看作黑洞的体积。假如一个黑洞的质量是另一个的10倍，那么前者的史瓦西半径就是后者的10倍，进而可知，前者的体积是后者的1000倍。当再计算密度时可以发现，前者的密度是后者的1/100。由此可见，当黑洞质量增加时，它的密度会迅速减小。

　　假如一个黑洞的质量与我们的太阳相当，那么它的密度就是100亿吨/立方厘米，这样大的密度简直难以想象。而对于星系中心超大黑洞而言，它们的密度则可能比水还小。有人计算，宇宙质量的黑洞的密度会小到10^-23克/立方米。

　　另一个有趣的现象是，超大质量的黑洞在视界处的潮汐力可能并不大。一名宇航员如果飞向一颗恒星质量的黑洞，那么他早在到达视界之前就会被撕裂；但如果他飞向一个超大质量的黑洞，那么他有可能在越过视界之后仍然安然无恙。

误传四：实验室中产生的黑洞可能吃掉整个地球

　　在科学家业已发现的四种力（强力、电磁力、弱力和引力）中，引力是最弱的力。目前有一些怪异的理论来解释这种现象。比如有理论认为，引力并不是本质上就很弱，但它之所以表现得弱，是因为它的力量传播到了一些看不到的维度当中。在三维世界当中，如果你把两件物体的距离拉近一半，那么它们间的引力将变为原先的4倍，但如果在九维下，它们的引力将会增大到256倍。这种理论意味着，假如我们的宇宙中存在一些看不到的小维度，那么在极小的距离上，引力可能会成为一种极强的力。再进一步，这可能意味着，在科学家的实验室中，机器可能会拥有制造量子黑洞的能量。

　　实际上，在2005年就曾经有报道称，位于美国纽约的布克海文国家实验室可能造出了量子黑洞。这些消息让早些年就存在的一种担心又重新出现：“实验室中制造出来的小黑洞是否会慢慢吃掉周围的粒子，逐渐变大，然后吃掉实验设备，最终吃掉整个地球？那样的话，我们会死掉的。”

　　这种担心其实是多余的。每天，来自宇宙的高能粒子都在撞击地球。据计算，由此撞击的小黑洞每年可能产生100个。如果这些黑洞能够吃掉地球，那么地球早就不存在了。可是，这些小黑洞为什么不能对地球构成威胁呢？1970年，史蒂芬·霍金提出，黑洞是有辐射的，它们会“蒸发”。黑洞的温度与它的质量成反比。一个黑洞质量越小，它的温度就越高，“蒸发”过程也就更快。实验室中制造出来的黑洞，它们的温度可高达太阳表面温度的250亿倍。这样高温的黑洞早在吃掉其他粒子之前就已经“蒸发”掉了。如果想让这样的黑洞存活下来，那么就必须使它周围的温度比它的温度还要高。要知道，即使在宇宙大爆炸之时，温度也远远达不到那么高。

　　然而幻想会有所不同。假设你有某种方法使量子黑洞周围的温度高于黑洞，那么黑洞就会慢慢长大。随着质量的增加，黑洞会逐渐冷却。待到黑洞冷却到一定程度，它会进入一种稳定的状态，最终你可以把它从原先超高温环境中取出，为你所用。当然，也有一些科学家指出，如果这些黑洞一不小心掉到了地上，那么它会一路吃到地心，最后整个地球都会完蛋。

　　下面回到现实。现在，欧洲核子中心正在建设“大型强子对撞机”，该对撞机最有可能在2007年投入运行。该对撞机能够令粒子在极大的能量中碰撞，甚至模拟出宇宙大爆炸刚刚发生之后宇宙中的环境。该对撞机位于法国和瑞士的接壤之处，但请放心，即便它不小心制造出了黑洞，黑洞也不会吃掉法国或者瑞士。

误传五：在掉进黑洞的过程中，我会看到宇宙的命运从我的眼前闪过

　　假如你乘着飞船向黑洞撞去，远处有你的一个朋友目送你，那么你的这个朋友将永远也看不到你越过视界的那一刻。因为在视界附近，由于引力附近，时间的流动会变得很慢，在你接近视界的过程中，你的飞船发出的光线需要越来越长的时间才能到达你朋友的眼睛。在视界处，这个时长将变得无穷大，你发出的光线再也到达不了你朋友的眼睛了。

　　那么，这是否意味着你需要无穷大的时间才会撞到奇点上，而你可以看到宇宙的的命运从你眼前闪过呢？不是的。对你来说，你也许需要花费一些时间到达视界，但只要过了视界，那么须臾之间你就会到达“万物终结之处”。在你看来，时间并没有变慢。你朋友所看到的永远是某种某种假象，也许你早已经撞到奇点了，而你朋友看到的景象还是你正在接近黑洞。

　　另一方面，实际上，在你不断接近视界的过程中，你的飞船所发出的光线会产生越来越大的红移。也就是说，你的飞船所发出的光线的波长会越来越长。对你的朋友来说也许起初还可以看到你的飞船在光学波段中的影象，然后光学波段看不到了，只好在红外波段看，后来红外波段也看不到了，只能在无线电波段看，到了最后，你的朋友用什么仪器也看不到你了。

　　在跌入黑洞的过程中，你所看到的仅仅是被扭曲了宇宙影象，因为黑洞造成的时空弯曲可能会使外部传来的光线发生扭曲。即便是进入视界以内，你仍然可以看到（当然，如果你还活着的话）外面的星光。因为光线可以进入黑洞，只是出不去。也许在你看来，星空会有一些扭曲，但决不会看到宇宙命运的“快进”版本。但是，假如我们可以用某种方法抵消黑洞的引力，使你的飞船恰好停留在视界处，则你将会看到宇宙在你面前终结了一生。当然，这仅仅是一种不可能的假设。