时间简史Black Holes－6

A Brief History of Time－Stephen Hawking

 

6－Black Holes

 

根据量子理论, 光具有双重性，光既是波又是粒子。如果光是一个没有重量的波，那么光速会以一个无限大的速度传播，实验证明光速是恒定有限的，说明光又是粒子受重力作用。很早以前科学家从理论上分析光在星球万有引力作用下，在传播一定距离后会被拉回星球，如果这种推理正确，那么这个星球将不可见，从而提出黑洞理论。

 

要理解黑洞，首先我们得理解星球的生命过程。宇宙中含有大量氢的气体受空间重力的作用聚缩成一个星球，在收缩过程中，气体的原子与原子间的碰撞和速度相应上升，导致热量升高到一定点后，释放出像氢弹爆炸一样的热量，形成发光的恒星。气体间的热量升高相应地导致气压增强扩张，最终与万有引力达至平衡。这种平衡状态可以维持相当长的时间。譬如我们太阳的内部能量估计可以维持50亿年，50亿年后，太阳会开始冷却收缩。

 

印度科学家Chandrasekhar 认为，根据量子力学中的电子／粒子的排他原理而造成的气体扩张有一个限度，也就是说，一个冷却收缩的星球它的重量密度升高到一定程度后，它的万有引力将大于它的气体扩张力，他计算出这个重量是太阳的1.5倍，被称为Chandrasekhar Limit （有限度）。

 

反过来说，如果一个星球的重量小于Chandrasekhar Limit, 它最终会停止收缩而达到一个平衡点，形成一个稳定的小恒星。我们现在发现有许多这样的小恒星。

 

那么，那些重量大于Chandrasekhar Limit的星球在它的燃料燃烧完后会产生什么样的结果？那时，根据Robert Oppenheimer 在1939提出的假设，认为用我们现有的望远镜将观察不到它的结果。现代科学家认为，当星球收缩时，它的质量密度增加导致星球表面的重力场升高，这个升高的重力场在Space-Time中将改变光的轨迹，使光稍微内弯偏向星球的表面，这样光不容易远离星球，观察者会发现它的光更暗也更红。最终当星球收缩到一定程度时，升高的万有引力迫使光更多的内弯而不再可能逃离星球。同样的，因为没有一样东西比光的传播速度更快，所以没有一样东西可以逃离这个星球，作为观察者我们将看不到这个星球，这个星球因之被称为黑洞。

 

这个黑洞会继续收缩，直到成为一个在space-time呈弧形的密度无限大的singularity。在这种状态，所有的科学理论都不再适用，就像我们把Big Bang看成时间的起点，我们把它看成时间的终点。

 

所有的物体，如果越过黑洞的临界线，都会被吸向黑洞而不可能逃脱。黑洞自转时，它就像地球一样中间会鼓起来，转速越快，鼓起越多，当转速为0的时候，黑洞就是一个静止完美的球体。

 

黑洞原理是少数几个先由数学模型推理出来，而后被科学家观察证实的原理。虽然黑洞不可见，但是黑洞会对周围的星球施加万有引力。1963年，宇航学家Maarten Schmidt在分析某个星球光谱右移的现象时认为，某个银河系的大片区域都是黑洞。一般来说，两个星球互相吸引而围绕对方旋转，但有时，只有一个恒星可以被观察到围绕不可见物体旋转，并伴有强力的来自这个不可见发源地的X-ray，譬如现在我们发现的Cygnus X-1, 这个Cygnus X-1的质量是太阳的6倍，不可能是中子星，那么最好的解释就是黑洞。

 

从长远的历史来看，我们的宇宙会有很多的黑洞。很多星球在它的核燃料燃烧完后就会收缩冷却，黑洞的数量也许大大超过我们看到的恒星的数量。譬如我们银河系的缓慢旋转现象，单用可见恒星的质量总和不足以带动整个银河系，这时用黑洞理论就能完美解释。