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黑洞在宇宙之中究竟存不存在

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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)落進去就永遠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)。這也是人類確認的第一顆黑洞。

  在論文中,他強調(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)常被運行在太空的伽馬射望遠鏡捕捉到,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)量達太陽質(zhì)量440萬倍的大質(zhì)量的黑洞,這種黑洞的形成機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。

  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”(Singularity)。“奇點”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。但掉進黑洞的粒子具有負能量,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。她認為,當恒星在晚年坍縮時,霍金輻射就已經(jīng)出現(xiàn)了,這時會有負能量不斷注入恒星內(nèi)核,并減少它的質(zhì)量。這樣一來,負能量會產(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)的運動情況進行分析,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,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。

  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能量,這個可能是霍金輻射中最令人困惑的概念。當負能量進入黑洞內(nèi)部,會使得黑洞損失質(zhì)量。就是這么簡單嗎?負能量為什么會是負的呢?

  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,這個理論是錯誤的。

  漢密爾頓認為,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)家也認同漢密爾頓的觀點。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。

  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”。火墻是霍金輻射粒子在事件視界上形成的一堵墻,會阻止新的物質(zhì)向里面落入,但廣義相對論認為,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”,而且目前還沒有達成一致的解決方案。但霍頓認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)楹诙矗灰隳馨阉鼔嚎s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,是最早被廣泛承認為黑洞的候選星體。對此,霍金還和基普·索恩打過賭,他認為這不可能是黑洞。最終,在大量觀測數(shù)據(jù)面前,這場賭約以霍金認輸而告終。

  再遠一些的就是天鵝座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,天鵝座V404就被科學(xué)家所察覺了,只不過當時它被認為是一顆變星。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)??茖W(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)量來進行的估算。再考慮到銀河系尺寸,就可以進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,那就另當別論了。


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