黑洞五大誤傳

作者：冰雪封情

　　黑洞是宇宙中最不可思議的天體。愛因斯坦提出相對論後的第二年，即1916年，史瓦西就在理論中發現了黑洞的存在。但直到1960年，科學家們才理解並接受了黑洞的存在。今天，黑洞已經廣為人知,這個曾經僅僅存在於物理理論中的怪物已經被人們泛化到了許多層面,並賦予了它新的含義。

誤傳一：黑洞是時空旅行的通道

　　宇航員在執行任務時不幸遭遇了黑洞，當他們遭遇時已無力回天——他們無可避免的掉進了黑洞！但也不見得這就是一場災難——在一些科幻作品中，黑洞被描述為通向宇宙其他地點、其他宇宙的大門，宇航員掉進黑洞後會幸運地到達宇宙的其他地方乃至另外一個宇宙！有一部電影的宣傳語就是：“一次從萬物終結之處開始的旅行。”

　　但不幸的是，終結就是終結，這裡不會再有新的旅行。很多黑洞僅僅是大質量恆星的終結點。這些恆星的質量在太陽的10倍以上。在他們的一生中，總有兩種不同的力量在相互抗衡：自身的引力向內施壓，而內部熱核聚變反應所產生的能量向外施壓。當這兩種不分伯仲的時候，恆星就處於較為穩定的狀態。但恆星內部用於熱核聚變反應的燃料終有一天會用盡，當這一天來臨時，力量的懸殊就會顯露出來。一旦引力占了上風，恆星就無可避免地向內坍縮，並且引力的作用會越來越強烈，隨着恆星的物質越來越緻密，它的逃逸速度變得越來越大。當恆星緻密到逃逸速度大於光速時，一個黑洞就形成了。此時，即便是宇宙間運動速度的最快的物質——光——也無法逃離黑洞了。

　　另外，宇宙中還有一些質量非常巨大的黑洞，他們位於星系和類星體的中心。比如我們的銀河系中心就有一顆質量超大的的黑洞，它的質量是太陽的400萬倍。這些黑洞的形成過程還不完全清晰。但不論是恆星質量黑洞，還是超大質量黑洞，從天文學角度來看，都與時空之門無關，他們不過是天體的一種極端存在形式。

　　在時空旅行的幻想中，還常常出現蟲洞，蟲洞被認為是兩個黑洞經過愛因斯坦-羅森橋連接而成的。1935年愛因斯坦和羅森提出了“愛因斯坦-羅森橋”，但這一理論並沒有提及橋兩端所連接的時空具有何種關係。於是在科幻中，宇航員從一個黑洞進入，會從另一個黑洞出去，這樣就發生了時空旅行。但真實的情形是，到目前為止，天文學家在觀測中已經發現了不少黑洞存在的跡象，卻從未有任何證據證明蟲洞的存在。蟲洞目前僅僅是數學上計算的結果，可能永遠也只是數學上的結果。

　　此外還有一種更為詭異的說法：黑洞可能與白洞相連，當一個人從黑洞進入後，可能由白洞出來。事實上，白洞也只是數學上與黑洞相對的結果，在自然界是否存在也很值得懷疑。而白洞與黑洞相連的說法也就顯得更加不可能了。退一萬步說，假設真的有黑洞與白洞相連，那麼當一個人投身黑洞，那麼早在他從白洞鑽出來之前，他已經在黑洞的巨大潮汐力的作用下被撕得粉碎了。

誤傳二：黑洞會把所有的天體都吸進去

　　連光都無法逃脫黑洞的魔掌，更不用說其他物質了。不管是恆星還是行星，宇宙中的一切天體最終都會被黑洞吸進去，我們銀河系中的超大質量黑洞最終會把整個星系都吃掉——這只是個時間問題。對嗎？

　　不是這樣的。事實上，黑洞不會吸任何東西。黑洞的引力與宇宙中其他天體的引力在性質上沒有差別。對於遠處的物體來說，黑洞的引力並不能把他們怎麼樣。假如我們的太陽突然變成了一個黑洞，那麼這個黑洞並不會把太陽系中的大小行星都吃掉。我們的地球仍然在現在的軌道上運行，唯一明顯的變化就是天氣變得異常寒冷——因為缺少了陽光。

　　黑洞就像是水中的旋渦，只有當你離他太近的時候，他才會對你構成威脅。黑洞有一個史瓦西半徑，只有當你越過了這個半徑，你才會無法自拔地被吸進去。史瓦西半徑可以從逃逸速度的方程中算得。在史瓦西半徑範圍內，連光都無法逃離。太陽的史瓦西半徑是2.9千米，相比之下，太陽的半徑是70萬千米。當太陽變成黑洞，太陽系的大小行星都處於安全線之外。當然，我們的太陽是不會變成黑洞的，因為它的質量太小了。太陽最終會演化成為一顆白矮星。那些經歷一系列演化之後中心質量在太陽2.5倍之上的的天體，才有可能成為黑洞。

　　那麼，在史瓦西半徑之內，黑洞的引力為什麼會極為強大呢？在數學上，一個物體所產生的引力可以被看作是集中於一點的。對於球體來說，這個點位於球心。當你站在地球表面你距離球心是最近的，因而你感受到了地球球心所能帶給你的最大的引力。假設某一天，地球開始向中心坍縮，那麼站在地球表面的你就會隨之移向地球的中心，也就是說你離地球中心越來越近這時你就會感覺到自己越來越重，因為你受到的引力越來越大。但是假如你站的位置不隨着地面的變化而變化，那麼你將不會感覺到引力有何變化。黑洞是一種極端的情況，理論上，天體演化為黑洞時，原先的物質會坍縮到體積為零，密度為無窮大，其他物質能夠非常接近原天體的中心，因而受到極為強大的引力作用。

誤傳三：黑洞的密度無窮大

　　在廣義相對論中，黑洞存在一個奇點，這個奇點的體積為零，密度為無窮大。任何物質跌進黑洞後，最終都會粉身碎骨地撞到奇點上。然而，奇點只是計算得來的產物，在真實的物理世界中應該不會出現。從量子輻射的角度來考慮，假如一個物體的密度無窮大，那麼它是無法長時間存在的，它會在眨眼之間消失。實際上，從史瓦西半徑計算公式很容易看出，黑洞的史瓦西半徑的長度與黑洞的質量大小成正比。史瓦西半徑給出了黑洞“視界”的大小，人們一般將黑洞視界內的體積看作黑洞的體積。假如一個黑洞的質量是另一個的10倍，那麼前者的史瓦西半徑就是後者的10倍，進而可知，前者的體積是後者的1000倍。當再計算密度時可以發現，前者的密度是後者的1/100。由此可見，當黑洞質量增加時，它的密度會迅速減小。

　　假如一個黑洞的質量與我們的太陽相當，那麼它的密度就是100億噸/立方厘米，這樣大的密度簡直難以想象。而對於星系中心超大黑洞而言，它們的密度則可能比水還小。有人計算，宇宙質量的黑洞的密度會小到10^-23克/立方米。

　　另一個有趣的現象是，超大質量的黑洞在視界處的潮汐力可能並不大。一名宇航員如果飛向一顆恆星質量的黑洞，那麼他早在到達視界之前就會被撕裂；但如果他飛向一個超大質量的黑洞，那麼他有可能在越過視界之後仍然安然無恙。

誤傳四：實驗室中產生的黑洞可能吃掉整個地球

　　在科學家業已發現的四種力（強力、電磁力、弱力和引力）中，引力是最弱的力。目前有一些怪異的理論來解釋這種現象。比如有理論認為，引力並不是本質上就很弱，但它之所以表現得弱，是因為它的力量傳播到了一些看不到的維度當中。在三維世界當中，如果你把兩件物體的距離拉近一半，那麼它們間的引力將變為原先的4倍，但如果在九維下，它們的引力將會增大到256倍。這種理論意味着，假如我們的宇宙中存在一些看不到的小維度，那麼在極小的距離上，引力可能會成為一種極強的力。再進一步，這可能意味着，在科學家的實驗室中，機器可能會擁有製造量子黑洞的能量。

　　實際上，在2005年就曾經有報道稱，位於美國紐約的布克海文國家實驗室可能造出了量子黑洞。這些消息讓早些年就存在的一種擔心又重新出現：“實驗室中製造出來的小黑洞是否會慢慢吃掉周圍的粒子，逐漸變大，然後吃掉實驗設備，最終吃掉整個地球？那樣的話，我們會死掉的。”

　　這種擔心其實是多餘的。每天，來自宇宙的高能粒子都在撞擊地球。據計算，由此撞擊的小黑洞每年可能產生100個。如果這些黑洞能夠吃掉地球，那麼地球早就不存在了。可是，這些小黑洞為什麼不能對地球構成威脅呢？1970年，史蒂芬·霍金提出，黑洞是有輻射的，它們會“蒸發”。黑洞的溫度與它的質量成反比。一個黑洞質量越小，它的溫度就越高，“蒸發”過程也就更快。實驗室中製造出來的黑洞，它們的溫度可高達太陽表面溫度的250億倍。這樣高溫的黑洞早在吃掉其他粒子之前就已經“蒸發”掉了。如果想讓這樣的黑洞存活下來，那麼就必須使它周圍的溫度比它的溫度還要高。要知道，即使在宇宙大爆炸之時，溫度也遠遠達不到那麼高。

　　然而幻想會有所不同。假設你有某種方法使量子黑洞周圍的溫度高於黑洞，那麼黑洞就會慢慢長大。隨着質量的增加，黑洞會逐漸冷卻。待到黑洞冷卻到一定程度，它會進入一種穩定的狀態，最終你可以把它從原先超高溫環境中取出，為你所用。當然，也有一些科學家指出，如果這些黑洞一不小心掉到了地上，那麼它會一路吃到地心，最後整個地球都會完蛋。

　　下面回到現實。現在，歐洲核子中心正在建設“大型強子對撞機”，該對撞機最有可能在2007年投入運行。該對撞機能夠令粒子在極大的能量中碰撞，甚至模擬出宇宙大爆炸剛剛發生之後宇宙中的環境。該對撞機位於法國和瑞士的接壤之處，但請放心，即便它不小心製造出了黑洞，黑洞也不會吃掉法國或者瑞士。

誤傳五：在掉進黑洞的過程中，我會看到宇宙的命運從我的眼前閃過

　　假如你乘着飛船向黑洞撞去，遠處有你的一個朋友目送你，那麼你的這個朋友將永遠也看不到你越過視界的那一刻。因為在視界附近，由於引力附近，時間的流動會變得很慢，在你接近視界的過程中，你的飛船發出的光線需要越來越長的時間才能到達你朋友的眼睛。在視界處，這個時長將變得無窮大，你發出的光線再也到達不了你朋友的眼睛了。

　　那麼，這是否意味着你需要無窮大的時間才會撞到奇點上，而你可以看到宇宙的的命運從你眼前閃過呢？不是的。對你來說，你也許需要花費一些時間到達視界，但只要過了視界，那麼須臾之間你就會到達“萬物終結之處”。在你看來，時間並沒有變慢。你朋友所看到的永遠是某種某種假象，也許你早已經撞到奇點了，而你朋友看到的景象還是你正在接近黑洞。

　　另一方面，實際上，在你不斷接近視界的過程中，你的飛船所發出的光線會產生越來越大的紅移。也就是說，你的飛船所發出的光線的波長會越來越長。對你的朋友來說也許起初還可以看到你的飛船在光學波段中的影象，然後光學波段看不到了，只好在紅外波段看，後來紅外波段也看不到了，只能在無線電波段看，到了最後，你的朋友用什麼儀器也看不到你了。

　　在跌入黑洞的過程中，你所看到的僅僅是被扭曲了宇宙影象，因為黑洞造成的時空彎曲可能會使外部傳來的光線發生扭曲。即便是進入視界以內，你仍然可以看到（當然，如果你還活着的話）外面的星光。因為光線可以進入黑洞，只是出不去。也許在你看來，星空會有一些扭曲，但決不會看到宇宙命運的“快進”版本。但是，假如我們可以用某種方法抵消黑洞的引力，使你的飛船恰好停留在視界處，則你將會看到宇宙在你面前終結了一生。當然，這僅僅是一種不可能的假設。