黑洞在宇宙之中究竟存不存在
黑洞在宇宙之中究竟存不存在
黑洞是宇宙中一種特殊的天體，其表現(xiàn)為具有無限大的吸引力，甚至連光線都逃不過黑洞的吸引。下面是小編分享的霍金提出黑洞其實并不真實存在，一起來看看吧。
霍金提出黑洞其實并不真實存在
著名的理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在論文預(yù)印本網(wǎng)站(arXiv)上傳了一篇有關(guān)黑洞性質(zhì)的論文?；艚鹪谡撐闹兄赋觯诙锤浇鼤r空的量子漲落非常猛烈，因此可能不存在一個物質(zhì)落進(jìn)去就永遠(yuǎn)無法逃逸的清晰邊界，即所謂的事件視界(Event Horizon). 但是該論文沒有通過同行評議。
位于天鵝座的一顆黑洞和伴星形成的雙星系統(tǒng)(示意圖)。這也是人類確認(rèn)的第一顆黑洞。
在論文中，他強(qiáng)調(diào)了黑洞的“表觀視界”(Apparent Horizon)這一概念，落入黑洞的物體只是暫時被囚禁其中，等到“表觀視界”消失之后，被囚禁的物質(zhì)會以另一種無法辨認(rèn)的方式釋放出來。不過，霍金并沒有給出“表觀視界”怎樣消失的具體證明。即使霍金是對的，也只能說我們要改變傳統(tǒng)上對黑洞性質(zhì)的認(rèn)識，這并不等于說黑洞就不存在了。
黑洞的存在是毋庸置疑的，已經(jīng)被大量天文觀測所證實。恒星級質(zhì)量的黑洞是大質(zhì)量恒星燃盡其內(nèi)部的核燃料，在自身引力的作用下發(fā)生坍縮而成，這種黑洞的形成會伴隨有伽馬射線暴(GRB)，這種天文現(xiàn)象經(jīng)常被運(yùn)行在太空的伽馬射望遠(yuǎn)鏡捕捉到，我們不時能從NASA看到這樣的新聞。在我們銀河系的中心，就有一顆質(zhì)量達(dá)太陽質(zhì)量440萬倍的大質(zhì)量的黑洞，這種黑洞的形成機(jī)制目前還沒有完全定論，估計是由中小質(zhì)量的黑洞合并而成。
總體來看，霍金的這篇論文并不是嚴(yán)格意義上的學(xué)術(shù)論文，而是一場網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)研討會上的發(fā)言稿，只能算是一種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。
黑洞理論簡史
1916年，在愛因斯坦“廣義相對論”剛剛提出后，德國天文學(xué)家史瓦西就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴(yán)格解，即史瓦西度規(guī)。從這個解中，我們可以得到一個推論，如果有一種力量能夠把太陽壓縮到一個半徑不到3公里的球，那么外部的觀測者就將再也無法看到陽光，這樣就形成了一顆黑洞。實際上，太陽的質(zhì)量還不夠大，自身的引力還不夠強(qiáng)大到把自己壓縮成黑洞。但在宇宙中，特別是早期宇宙，不乏能夠坍縮成黑洞的大質(zhì)量恒星。
1939年，美國“原子彈之父”奧本海默及其合作者從廣義相對論出發(fā)，給出了宇宙中最致密的中子星所能夠承受的質(zhì)量上限，約等于3.2個太陽質(zhì)量。一旦演化末期的恒星內(nèi)核的質(zhì)量超過這一極限，就沒有任何力量能夠阻止它自身引力坍縮，最終會形成一顆黑洞。
后來，英國理論物理學(xué)家霍金和英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯提出了“奇性定理”，論證了黑洞中的物質(zhì)最終都會落向一個密度無窮大的“奇點(diǎn)”(Singularity)。“奇點(diǎn)”被“事件視界”所包圍，黑洞中的任何物質(zhì)都無法逃逸出?；镒拥幕卮饘嵲谔擅盍?
黑洞到底存不存在
但最近，美國物理學(xué)家勞拉·梅爾辛-霍頓發(fā)表了一篇文章，聲稱黑洞并不存在。雖然之前也有許多人這樣說過，例如英國物理學(xué)家霍金也曾說過“黑洞不存在”(不過他指的是字面意思)。但是梅爾辛-霍頓的研究極為特殊，看似無懈可擊。如果她是正確的話，那么物理學(xué)和天文學(xué)都得重新改寫。
那么是否要把黑洞扔進(jìn)科學(xué)史的垃圾桶里?先別急著回答，首先我們來看看這位物理學(xué)家為什么認(rèn)為黑洞不存在。
沒有黑洞，只有爆炸
霍金在1974年發(fā)現(xiàn)，盡管任何物質(zhì)都無法從黑洞里逃離出來，但黑洞會產(chǎn)生輻射。這種輻射被叫做霍金輻射，它是一種量子現(xiàn)象，出現(xiàn)的原因是真空中會隨機(jī)出現(xiàn)一對“虛粒子”。這對虛粒子一個具有正能量，一個具有負(fù)能量，加起來為零。通常情況下它們出現(xiàn)后會彼此迅速湮滅掉，但是如果它們出現(xiàn)在黑洞的事件視界(即黑洞的表面)附近，那么其中的一個會掉進(jìn)黑洞，另一個可以逃離黑洞。雖然有一個粒子已經(jīng)掉到黑洞里面去了。但掉進(jìn)黑洞的粒子具有負(fù)能量，會減少黑洞的質(zhì)量。這樣時間一長，黑洞就會不停地產(chǎn)生粒子并向外輻射，并損失質(zhì)量。
梅爾辛-霍頓的研究就是基于霍金輻射的。大多數(shù)的黑洞(即恒星級別的黑洞)，是通過恒星的坍縮形成的。她認(rèn)為，當(dāng)恒星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經(jīng)出現(xiàn)了，這時會有負(fù)能量不斷注入恒星內(nèi)核，并減少它的質(zhì)量。這樣一來，負(fù)能量會產(chǎn)生一種排斥力，在恒星即將變成黑洞之前，恒星會因排斥力會停止坍縮，并反彈開來，這就根本就無法形成黑洞，所以她認(rèn)為黑洞不存在。
可是，如果恒星級黑洞不存在，那天文學(xué)家成天觀測的是什么?
是的，弗吉尼婭，真的有黑洞
很顯然，黑洞是很難直接被觀測到的。另外，也無法通過霍金輻射直接看到黑洞，因為這種輻射太弱了。盡管如此，我們?nèi)钥梢哉业胶诙创嬖诘淖C據(jù)。如果它們不是黑洞，也至少看起來像黑洞。
首先，被發(fā)現(xiàn)的黑洞很少是一個孤立系統(tǒng)。黑洞周圍常常有物質(zhì)(通常來自伴星)圍繞或落入其中，這樣物質(zhì)會在黑洞周圍形成吸積盤，就像不幸的船只被卷入漩渦中。物質(zhì)越靠近黑洞速度就越快，物質(zhì)之間會產(chǎn)生摩擦，生成熱量并產(chǎn)生X射線，并可被我們的望遠(yuǎn)鏡觀測到。另外，黑洞對伴星的影響也可以被觀測到。
我們怎么知道我們所看到的就是黑洞呢?天文學(xué)家可以對它周圍物質(zhì)(例如吸積盤和伴星)的運(yùn)動情況進(jìn)行分析，推測出這個物體的質(zhì)量和體積，然后就可以使用廣義相對論來分析它是否足以形成一個黑洞。這個論證過程很難會有差錯，因為我們的力學(xué)理論和廣義相對論都經(jīng)受住了各種考驗，而且準(zhǔn)確地預(yù)測了各種現(xiàn)象。所以一位美國天體物理學(xué)家針對梅爾辛-霍頓的理論熱情洋溢地回復(fù)到：
“黑洞絕對存在，我們通過觀測就能知曉。我們通過圍繞銀河系中心恒星的軌道，知道那里有一個超大質(zhì)量黑洞;我們知道有雙黑洞系統(tǒng);我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過100萬個黑洞的紅外信號;我們知道有恒星級黑洞和中級質(zhì)量黑洞;我們可以看見氣體云被黑洞的引力所撕碎;我們還可以獲取黑洞的照片(例如左面這張)。是的，弗吉尼婭，真的有黑洞。”(“弗吉尼婭”是一位8歲小女孩的名字，她曾寫信給《紐約太陽報》，詢問是否有圣誕老人?！都~約太陽報》回復(fù)中說：“是的，弗吉尼婭，真的有圣誕老人。”這句話成為一個句式，廣為流傳。)
有如此強(qiáng)有力的觀測證據(jù)證明黑洞是存在的，那么梅爾辛-霍頓的研究是怎么回事?如果她的研究沒有問題，那么如何解釋這些觀測結(jié)果呢?她后來回復(fù)說，我們所觀測到的很像黑洞，但它們沒有事件視界和奇點(diǎn)，我們應(yīng)該給它們換個名字，因為它們不是黑的。但因為她所說的這個東西與黑洞很難區(qū)分，所以目前還無法驗證她的這種觀點(diǎn)。
這個模型是錯的
如果觀測證據(jù)表明黑洞真的存在，那么梅爾辛-霍頓的模型是否在哪個地方出錯了呢?其中一個嫌疑最大的地方就是負(fù)能量，這個可能是霍金輻射中最令人困惑的概念。當(dāng)負(fù)能量進(jìn)入黑洞內(nèi)部，會使得黑洞損失質(zhì)量。就是這么簡單嗎?負(fù)能量為什么會是負(fù)的呢?
美國天體物理學(xué)家安德魯·漢密爾頓指出，梅爾辛-霍頓把黑洞內(nèi)的霍金輻射看成具有負(fù)能量的流體，具有排斥力，最終會使得黑洞反彈而不是形成奇點(diǎn)，這個理論是錯誤的。
漢密爾頓認(rèn)為，霍金輻射只能在事件視界附近產(chǎn)生，如果不存在事件視界，那么就沒有霍金輻射。所以，當(dāng)恒星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經(jīng)出現(xiàn)了的說法是錯誤的，因為沒有事件視界的出現(xiàn)。另外，霍金輻射產(chǎn)生的粒子在黑洞內(nèi)部具有負(fù)能量，但是對于附近的觀察者來說這個粒子還是正的，不會對周圍產(chǎn)生排斥力，所以梅爾辛-霍頓所說的排斥力是不存在。因此，她的模型就有了問題。
其他一些科學(xué)家也認(rèn)同漢密爾頓的觀點(diǎn)。另外還有人指出，霍金輻射作用十分微弱，根本沒有梅爾辛-霍頓所預(yù)期的那樣強(qiáng)。
沒有黑洞，就沒有悖論
另外，梅爾辛-霍頓的文章里提到了一個所謂的“火墻悖論”?；饓κ腔艚疠椛淞Ｗ釉谑录暯缟闲纬傻囊欢聣?，會阻止新的物質(zhì)向里面落入，但廣義相對論認(rèn)為，觀測者穿過事件視界時不會注意到有任何變化，時空是光滑的。這個問題被稱為“火墻悖論”，而且目前還沒有達(dá)成一致的解決方案。但霍頓認(rèn)為她的理論就是一種解決方案，因為黑洞根本不存在，那么就沒有什么火墻悖論了。
但是火墻悖論的存在，并不意味著黑洞不存在。黑洞產(chǎn)生火墻是通過量子力學(xué)得出的結(jié)論，而這結(jié)果與廣義相對論相矛盾，所以這種悖論本質(zhì)上是廣義相對論與量子力學(xué)不相容的結(jié)果。我們可能需要一種能把廣義相對論與量子力學(xué)結(jié)合在一起的理論，才能真正解決火墻悖論。
其他種類的黑洞
另外一個問題，梅爾辛-霍頓的文章只考慮了恒星級黑洞，因為其他種類的黑洞可能由完全不同的機(jī)制形成的。
理論上，黑洞的質(zhì)量可以是任何值。你可以把一個蘋果或任何其他的東西變?yōu)楹诙?，只要你能把它壓縮得足夠小。甚至微觀黑洞都可以存在，但目前還沒有觀測到微觀黑洞，而且如何形成這種小的黑洞也尚不知曉。
另一面則是超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量至少是10萬倍太陽質(zhì)量，大的可達(dá)百萬倍太陽質(zhì)量。超大質(zhì)量黑洞是個神秘事物，因為我們還不清楚它們是怎么形成的。事實上沒有哪個恒星大到能夠坍縮成超大質(zhì)量黑洞。
觀測顯示，每一個星系中心都具有超大質(zhì)量黑洞，甚至最小的矮星系都有超大質(zhì)量黑洞。而且觀測顯示，它們不可能不是黑洞。例如，銀河系中有一個非常光亮及致密的無線電波源，叫做人馬座A*，有很多顆恒星以不同的軌道圍繞著它，我們據(jù)此可以計算出這里含有的物質(zhì)的質(zhì)量和體積。結(jié)果表明，人馬座A*這里存在的物質(zhì)具有很大的質(zhì)量，超過400萬倍太陽質(zhì)量，而且這些質(zhì)量被限制在4400萬千米直徑的球體內(nèi)(水星離太陽最近的距離約為4600萬千米)。根據(jù)廣義相對論，這里必然存在著一個黑洞。
另一種黑洞則是處在恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的黑洞，叫做中級質(zhì)量黑洞，質(zhì)量可達(dá)數(shù)百個太陽質(zhì)量或更多，天文學(xué)家還不清楚它們是怎么形成的。一些解釋認(rèn)為它們可能是多個恒星級黑洞合并形成的，或宇宙大爆炸之后早期物質(zhì)的坍縮。中級質(zhì)量黑洞的是否真的存在還有待證實，不過目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些候選者。
梅爾辛-霍頓的模型與上面的情況不相符。即使她是對的，恒星級黑洞真的不能形成，那么也許可以通過其他途徑來形成黑洞。
總之，基于堆積如山的觀測證據(jù)證明黑洞是存在的，而一個新的理論的提出還不足以來把黑洞概念拋棄掉。不管怎樣，她的理論還是有價值的，值得物理學(xué)家和天文學(xué)家重新思考，雖然大多數(shù)的人并不是她理論的粉絲。
地球周圍隱藏著多少黑洞
黑洞是根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論所推論，在宇宙中存在的一種奇異天體。由于黑洞將時空極度扭曲，以至于在一定范圍內(nèi)(事件視界內(nèi))連光也無法逃脫。一旦某個物體不幸靠近黑洞，那么它將被無情地吞噬。
實際上，在銀河系中也存在著大量的黑洞。當(dāng)談及銀河系黑洞時，想必大多數(shù)人都會條件反射地想到銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*。這好比一頭棲息于銀河系中心區(qū)域的巨獸，質(zhì)量相當(dāng)于太陽的400萬倍，吞吐之間驚天動地。以至于處于26000光年之外的我們也得以探究一二。
除了這顆超大質(zhì)量黑洞，銀河系的大多數(shù)黑洞都是恒星型黑洞。這些黑洞是大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，質(zhì)量通常為太陽的十幾倍。在銀河系中，恒星型黑洞數(shù)量眾多，有些甚至就隱藏在太陽系周圍。
目前為止，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的距離我們地球最近的黑洞是麒麟座V616(V616 Monocerotis)，大約位于2800光年之外，質(zhì)量為太陽的9-13倍。
其次便是天鵝座X-1(Cygnus X-1)，距離地球約6000光年，質(zhì)量約為太陽的15倍。這是銀河系中一個著名的X射線源，是最早被廣泛承認(rèn)為黑洞的候選星體。對此，霍金還和基普·索恩打過賭，他認(rèn)為這不可能是黑洞。最終，在大量觀測數(shù)據(jù)面前，這場賭約以霍金認(rèn)輸而告終。
再遠(yuǎn)一些的就是天鵝座V404(V404 Cygni)了。這顆距離地球約7800光年的黑洞的質(zhì)量約為太陽的12倍。早在18世紀(jì)，天鵝座V404就被科學(xué)家所察覺了，只不過當(dāng)時它被認(rèn)為是一顆變星。直到1989年它的一次爆發(fā)再次引起了科學(xué)家的注意，隨后才被確認(rèn)是一顆恒星型黑洞。
實際上，以上這三顆科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的離地球最近的黑洞有一個共同的特征——它們都處在一個雙星系統(tǒng)中，都被一顆伴星緊密環(huán)繞。這也正是科學(xué)家得以探測到它們的原因所在。這三顆黑洞正在不斷地吞噬著伴星的物質(zhì)，大量物質(zhì)在還未落入事件視界內(nèi)時就被加熱到了超高溫度，于是爆發(fā)出驚人的X射線。
NASA的錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡和歐航局的XMM-牛頓衛(wèi)星可以有效地捕捉到這些X射線，從而對宇宙中的黑洞進(jìn)行探測。
那么問題來了，如果一顆恒星型黑洞沒有伴星，而是安安靜靜地做個美男子，科學(xué)家豈不是很難探測到它們的存在嗎?去年的一項研究曾首次發(fā)現(xiàn)一顆黑洞發(fā)射出微弱的無線電波，但卻無X射線爆發(fā)。科學(xué)家在7200光年外發(fā)現(xiàn)這顆安靜的黑洞表明了銀河系中可能還隱藏著大量未被發(fā)現(xiàn)的黑洞。是否還有距離我們更近的黑洞潛伏在周圍呢?
對于銀河系中黑洞的數(shù)量，科學(xué)家還可以基于超新星爆發(fā)的數(shù)量來進(jìn)行的估算。再考慮到銀河系尺寸，就可以進(jìn)一步測算出銀河系中黑洞分布的密度。據(jù)此估計，在我們的銀河系中大約每隔125光年就存在一個黑洞。
當(dāng)然，這只是一個非常粗略的估計。畢竟，黑洞可能因合并等原因而要稀缺得多，并且它們不見得會均勻地分布。然而，毋庸置疑的是，銀河系中還有大量的黑洞未被發(fā)現(xiàn)。
一般情況下，這些黑洞并不會對地球造成威脅。如果我們倒霉地遇到了隱藏在附近的流浪黑洞，那就另當(dāng)別論了。
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