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黑洞之谜若干问

时间:2022-03-14 08:29:55 浏览次数:

银河系中心有黑洞吗?

科学家通过日本的X射线天文卫星,在观测一个名为“MCG-6-30-15”的活跃星系时突然发现,来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移”,这令科学家们兴奋不已。

所谓“引力红移”,用爱因斯坦的广义相对论解释,即是在强引力作用下出现的时间似乎变慢——其实应是光波长变长的现象,这是非黑洞理论无法解释的。这个现象的确认,其意义就相当于直接观测到黑洞。于是,很多科学家由此达成了共识:所有星系的中心都应存在巨型黑洞,我们所在的银河系也不例外。

然而不久前,美国国家航空航天局出人意料地宣布,天文学家们在紧邻银河系中心的区域,发现了数十颗庞大而且非常明亮的恒星。这一发现让专家们万分诧异:如果银河系的中心存在一个巨型黑洞,那么在黑洞附近是不可能存在任何天体的。也就是说,发现这数十颗庞大的恒星,将银河系中心存在巨型黑洞的可能性几乎降为零。

在星系的中心是否有黑洞的问题上,上述两种观测结果相互矛盾,在让人们感到困惑的同时,也更激起人们揭开黑洞神秘面纱的兴趣。

那么,黑洞到底是什么样的奇怪天体?

早在1783年,英国剑桥大学的学监约翰·米歇尔在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表的一篇文章中指出,一个质量足够大并足够紧密的恒星会有极其强大的引力场,以至于连光线都不能逃逸。这样的恒星,虽然我们不能看到它们发出的光,但我们却可以感到它们的巨大引力。

1798年,法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯,根据牛顿的引力定律也预言了黑洞的存在。他说:“一个密度如地球而直径为250个太阳的发光恒星,由于其引力的作用,将不允许任何光线离开它。由于这个原因,宇宙中最大的发光天体也不能被我们看见。”他当时称这种天体为“黑暗的一团”。

进入20世纪,广义相对论的一些论点支持了上述黑洞的预言。爱因斯坦通过严格计算发现,这种特殊的天体所产生的引力是如此强大,能够扭曲空间与时间,将大量的物质与能量压缩到一个很小的点上——“奇点”,没有任何物质能够从中逃脱,即便是光也没有可能。

此后,德国天文学家K·史瓦西于1916年提出了广义相对论球对称引力场的严格解释,并在其中明确地提出了黑洞设想。他认为,在高致密天体或大质量天体周围某一区域内,逃逸速度等于光速,任何物质和辐射都不能逸出。也就是说,当恒星的半径小于一特定值时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指任何物质包括光在内,一旦掉进去就再不能逃出。这就是后来在天文学上常说的“史瓦西半径”。

按照“史瓦西半径”的设定,一个质量和太阳一样的黑洞,它的半径应该只有2.95千米(现在太阳的半径为70万千米),而质量和地球一样的黑洞,它的半径应该还不到0.9厘米。

20世纪60年代,美国物理学家惠勒将这种天体命名为“黑洞”。从此,黑洞这个名字就叫开了。

科学家们给黑洞的基本定义是:一个具有封闭视界的天体,引力巨大,外来的物质和辐射能进入视界以内,但视界内的任何物质包括光线都不能跑到外面来。这个视界就是黑洞的边界。

根据以上对黑洞的描述可以发现,如果银河系中心有一个巨型黑洞,由于它所具有的巨大引力,可将它周围的所有物质都吸引进去。也就是说如果紧邻黑洞的周围有恒星的话,它们必将被撕裂后吸引到黑洞的“血盆大口”之中。然而奇怪的是,天文学家们在紧邻银河系中心的区域内,竟然发现了数十颗体型完好且庞大无比的恒星,可以说,这就基本排除了银河系中心有巨型黑洞的说法。

星系的中心究竟有没有黑洞,是否银河系中心没有黑洞,其他星系的中心也没有黑洞?还是银河系只是一个特殊,不排除其他星系中心有巨型黑洞的可能?假若银河系中心有黑洞的话,它会不会因为特殊的原因,可以将包括恒星在内的其他物质“关”在门外?类似这样的一些问题,有待于科研人员不断探索,逐步找到正确的答案。

黑洞是“时空隧道”的入口吗?

真的有“时空隧道”吗?

此说源于1988年,美国天文学家索恩和他的两名学生,共同发表文章论述“虫洞”的特性,认为如果“虫洞”开通了黑洞与白洞两个奇点之间的一条神秘通道,这条通道开在现实的三维空间之外的超空间里,就可通过这条捷径从黑洞钻进奇点,从一个非常遥远的“白洞奇点”钻出,这样一种旅行是即时的,等效于超越光速。

然而,一些科学家对此结论难以接受。霍金一开始就持反对的态度,认为时间只能向前不能向后的特性是不容破坏的,物理学定律不允许有什么“时间机器”可以使时光倒流。但索恩的回答是:“在物理学深刻认识量子引力理论之前,我们谁也不能下结论。”美国物理学家福特和罗曼也指出,相对论并没有严格排除快于光速的旅行或时光旅行。时光旅行需具备“虫孔”和“负面能源”两大条件。宇宙间不同的时间和空间通过“虫孔”可以互通。“负面能源”可以抗拒引力用来打开“虫孔”,稳定“时光隧道”。英国牛津大学理论物理学教授强森也相信,有朝一日,人类将能够邀游宇宙,纵横古今。

就在两种对立的说法相持不下时,霍金改变了态度。他公开承认时光旅行的可能性,使得梦想穿梭于历史中的人们感到异常兴奋。他说:“当科学尚未能让人类登上前所未有的奇妙境地之前,科幻小说早已使我们在各种异想天开的可能性中先行尽游……”他表示,一旦他把相对论及量子论结合在一起思考对照,发觉超光速星际旅行极可能将会造成使人们回到过去的结果时,天文物理学终于迈向一个崭新的纪元!

时至今日,相信人类能够通过所谓的超光速旅行而回到过去的人越来越多,这不但是人们出于对时光倒流的奇妙想法极为热衷,而且关键问题是它与“奇点”的理论相衬托,甚至传说有很多真实事件能够佐证——

1990年9月9日,在南美洲委内瑞拉的卡拉加机场控制塔上,人们突然发现一架早已淘汰了的“道格拉斯型”客机飞临机场。经核查,这架客机是泛美航空公司914号班机,它是于1955年7月2日从纽约起飞,飞往佛罗里达,突然途中失踪,一直找不到。当时认为该机掉入了大海,机上的五十多名乘客全部赔偿了死亡保险金。而35年之后,当这些乘客回到美国的家里,令他们和家人都大吃一惊:在乘客的眼里,孩子们和亲人都老了;而在家人的眼里,乘客仍和35年前一样年轻。美国警方和科学家们专门检查了这些人的身份证和身体,确认这不是闹剧,而是确凿的事实。

类似的事件还有数十起。这些传闻虽然未经官方证实,听起来“神乎其神”,但按照黑洞理论去对照,这些事情是有发生的可能的。因为在黑洞中,

时间和空间的概念截然不同,用“洞中方一日,世上已十年”,或者“仙境一日,凡世千载”来描绘黑洞都不能算是确切的,因为这个“洞”或“仙境”之中连1秒钟的时间都没有,没有时间也就没有三维空间,完全是即时的。

现今,世界上出现的很多不解之谜,只要与时间和空间的奥秘有关,那就预示着与这神秘的黑洞有关。不过,有学者持相反的意见,认为任何三维物体都不能进入黑洞,只能不相容地“穿”过黑洞。以“穿”过黑洞作为捷径,能够节省大量的时间和消耗,这应该是一种比较现实的“时空隧道”。但你若想进入黑洞中,就必须改变物体的性质,把自身变成无形物,变成原始的宇宙射线,变成某种波,这样的话,你就不复存在了。

究竟有没有“时空隧道”?它是属于人们的“科幻作品”,还是确有其事?由于它与黑洞问题紧密相关,所以,随着黑洞之谜的逐步破解,“时空隧道”的真实面目也会显露出来。

黑洞是否存在?

一些美国科学家明确提出,所谓的黑洞纯属子虚乌有,根本就不存在。而另一些科学家则不赞同没有黑洞的观点。

我国的天文学研究者则提出,黑洞可以暗能量的形式存在。暗能量黑洞内部没有质量也没有密度,整体以“虚空”的形式产生巨大的负压(即能量的来源之一)以排斥有形物体,从而形成黑洞。当宇宙、超星系团、星系团甚至星系形成时,天体巨大的爆发力和坍缩力,可在一瞬间达到光速,所有达到光速的区域,都可形成了暗能量黑洞。

如何理解暗能量黑洞?

研究者的解释是,我们所在的这个看得见的有形物质世界,应是建立在无形暗能量世界层次形态之上的:前者有时空概念,而后者是没有时空概念的。在无形暗能量世界形态中,一切暗能量都是超光速的;而在有形的物质世界形态中,一切都是亚光速的。光速是两种不同世界形态的分界岭。

不知道大家是否还记得,爱因斯坦在相对论中多次用“爱因斯坦号”列车来举例说明时空的相对关系,而这位研究者则用航天飞机来表述暗能量黑洞的特殊性质:

假设:从甲地到乙地的距离是72万公里,航天飞机的航速是每小时24万公里,因此按照常规,甲地到乙地的飞行时间应是3小时。但是,因为在甲地到乙地的必经之路上有一个暗能量黑洞,这个黑洞的直径是24万公里,于是奇迹就发生了——

航天飞机从甲地到乙地的飞行时间实际只用了2小时。

这是什么原因呢?原来,当航天飞机的头部刚刚接触到暗能量黑洞区域的边界线时,它同时已经从另一端出了边界线。也就是说,当航天飞机的后半部,刚刚到达24万公里处的位置时,它的前半部分已经超过了48万公里了。尽管如此,这架航天飞机绝没有断成两截,它始终是完整的。

但有一件奇怪的事情必然要发生:假设航天飞机是在早上8点起飞的,那么,在甲地给航天飞机送行的人,和在乙地准备迎接航天飞机的人,包括乘上了航天飞机的人,此时他们的手表所标明的时间全都是8点。可是,当航天飞机穿越了黑洞抵达乙地时,曾在甲地送行的人和正在乙地迎接航天飞机的人,此时他们的手表所标明的时间都是11点,而航天飞机上的乘客,他们的手表所标明的时间却是10点。所差的时间,正好是穿越暗能量黑洞所节省的时间。按照这一结果来类推,黑洞的直径越大,那么航天飞机到达乙地时,机上的时间和机下的时间就相差得越多;再进一步说,航天飞机穿越的黑洞越多,它节省的时间就越多。

这个暗能量黑洞给人们留下了这样的印象:它没有什么引力,不会把它附近的物质吸进去,只是一个不容三维性物质进入的特殊区域;这个特殊区域中无论哪一个点,不但时间都等于零,而且它的“空间”对于三维性物质而言也等于零。因此,不管什么三维物质“穿”过它时,都不需要时间,都是即时性的。

但是,一维性的光线通过它时则情况不同。光线穿过黑洞会由于某种原因发生频率变慢的情况,频率变慢即波长变长,这可能就是科学家们通过日本的x射线天文卫星,在观测一个名为“MCG—6—30—15”的活跃星系时发现来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移’现象的原因。

究竟有没有暗能量黑洞?有什么办法能够发现它的身影?这些问题正等待着人们去探索。

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