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本文发表于《中学生天地》2011 年 2 月刊 (浙江教育报刊社出版), 发表稿的标题为 “有关黑洞的前世今生”。

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黑洞略谈

- 卢昌海 -

本文系《中学生天地》杂志约稿, 发表稿略去了注释, 发表时的标题经编辑修改为 “有关黑洞的前世今生”

如果要在科学术语当中评选几个最吸引大众眼球的术语, 黑洞 (black hole) 无疑会名列前茅。 这个试图用引力把自己遮盖得严严实实的家伙不仅频繁出没于科幻故事中, 而且在新闻媒体上也有不低的出镜率。 前不久, 一条有关美国国家航空航天局 (The National Aeronautics and Space Administration, 简称 NASA) 的 “钱德拉” X 射线太空望远镜 (Chandra X-ray Observatory) 发现 “最年轻黑洞” 的新闻就被媒体竞相转载。 而有关大型强子对撞机 (Large Hadron Collider, 简称 LHC) 有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻, 更是不仅在过去几年时间里反复出现在各大媒体的显著位置上, 而且还将美国和欧洲的司法界都卷入其中——因为有人试图通过法律手段来制止对撞机的启用, 以 “拯救” 地球。 在对撞机开始试运行的 2008 年 9 月, 在印度甚至还发生了 “一个 ‘黑洞’ 引发的血案” ——一位 16 岁的花季女孩据说因担心微型黑洞毁灭世界而自杀。

这个搅起了如此风波的黑洞究竟是什么东西呢? 我们就围绕这两组新闻来谈谈它吧。

黑洞这个概念的起源通常被回溯到 1783 年, 虽然那跟我们如今所说的黑洞其实没太大关系。 那一年, 英国地质学家米歇尔 (John Michell) 利用牛顿万有引力定律和光的微粒说推出了一个有趣的结果, 那就是一个密度与太阳一样的星球如果直径比太阳大几百倍, 它的表面逃逸速度将会超过光速。 这意味着该星球对远方观测者来说将成为一颗 “暗星” (dark star) ——因为作为微粒的光将无法从它表面逃逸。 不久之后 (1796 年), 法国数学家拉普拉斯 (Pierre-Simon Laplace) 在其著作《世界体系》(Exposition du système du Monde) 中也提出了同样的结果。 这个如今看来只有中学水平的结果, 就是黑洞概念的萌芽。

但这个萌芽很快就枯萎了。

枯萎的原因是它所依赖的前提之一——光的微粒说在科学界失了宠, 被所谓光的波动说所取代。 光的波动说顾名思义, 就是把光看成是一种波。 但牛顿引力对这种波会有什么影响? 却是一个谁也答不上来的问题。 既然答不上这个问题, 光能否从星球表面逃逸之类的问题也就无从谈起了。 因此自《世界体系》的第 3 版开始, 拉普拉斯悄悄删除了有关 “暗星” 的文字, 他这个 “与时俱进” 的做法基本上为牛顿理论中的黑洞概念画上了句号。

黑洞概念的卷土重来是在 20 世纪的第二个十年。 那时侯, 爱因斯坦 (Albert Einstein) 于 1915 年底提出了广义相对论 (general relativity)。 1916 年初, 一位被第一次世界大战的战火卷到前线, 且罹患天疱疮 (pemphigus), “阳寿” 只剩五个多月的德国物理学家施瓦西 (Karl Schwarzschild) 得到了广义相对论的一个后来以他名字命名的著名的解——施瓦西解 (Schwarzschild solution)。 从这个解中, 我们可以得到很多推论, 比方说如果把太阳压缩成一个半径不到 3 公里的球体[注一], 外部观测者就将再也无法看到阳光, 这就是一种现代意义下的黑洞——施瓦西黑洞。 与米歇尔和拉普拉斯的 “暗星” 不同, 现代意义下的黑洞具有很丰富的物理内涵, 并且不依赖于象光的微粒说那样的前提[注二]

遗憾的是, 施瓦西解的那些推论在很长的一段时间里不仅没有被人们所完全了解, 反而遭来了一些针对黑洞的反对意见。 就连爱因斯坦也曾提出过一些如今看来很幼稚的反对意见[注三]

不过 “东边不亮西边亮”, 另一个方向上的研究——即对白矮星 (white dwarf) 的研究——却殊途同归地将科学家们引向了黑洞。 白矮星是耗尽了核聚变原料后的老年恒星, 它们的质量与太阳相仿, 块头却跟地球差不多, 因而密度极高 (一汤匙的白矮星物质的质量可达好几吨)。 白矮星的发现给科学家们带来了一个问题: 我们知道, 恒星之所以能稳定地存在, 是因为内部核聚变反应产生的巨大的辐射压强抗衡住了引力。 但象白矮星那样不具有大规模核聚变反应的天体又是如何 “维稳” 的呢? 这是一个很困难的问题。 但幸运的是, 当人们为这一问题伤脑筋时, 一门新兴学科——量子力学——已经成熟了起来, 在量子力学中有一条原理叫做泡利不相容原理 (Pauli exclusion principle)。 按照这条原理, 电子是一群极有 “个性” 的家伙, 每一个都坚持拥有独一无二的状态。 如果你想压制这种 “个性”, 它们就会 “殊死抗争”, 这种抗争在宏观上会体现为一种巨大的压强, 叫做 “电子简并压” (electron degeneracy pressure)。 白矮星主要就是依靠这种压强来抗衡引力的。 当时很多人认为, 这就是恒星的终极 “养老方案”, 因为计算表明, “电子简并压” 在任何情况下——即对于任何质量的恒星——都足以抗衡引力。

但一位印度年轻人无情地粉碎了这个美好的 “养老方案”, 此人名叫钱德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar), 本文开头提到的发现 “最年轻黑洞” 的 “钱德拉” X 射线太空望远镜就是以他的名字命名的。

1930 年, 本科刚毕业的钱德拉塞卡在研究白矮星时发现了一个出人意料的结果, 那就是如果将相对论效应考虑在内, 电子简并压将大为减弱, 尤其是, 当白矮星的质量超过太阳质量的 1.4 倍时, 电子简并压将无法抗衡引力。 可电子简并压是当时已知的能使老年恒星抗衡引力的唯一机制, 如果这一机制不管用了, 那老年恒星的命运会是什么呢? 这一新问题使很多人深感不安, 其中包括重量级的英国天文学家爱丁顿 (Authur Eddington)。 爱丁顿表示, 钱德拉塞卡的结果是荒谬的, 大自然是一定会让晚年恒星 “老有所依” 的。 用今天的眼光来看, 这是一种没什么说服力的单纯信念式的表态。 不过在当年, 这种表态却给钱德拉塞卡带来了很大的麻烦, 他的论文直到一年多之后, 才在遥远的美国找到一份杂志发表。

黑洞因吞噬物质而发射 X 射线
黑洞因吞噬物质而发射 X 射线

后来人们知道, 恒星的 “养老方案” 其实不是唯一的, 当电子简并压无法抗衡引力时, 老年恒星还有另一种归宿, 那就是中子星。 这是一种密度比白矮星还高一亿倍 (从而一汤匙物质的质量可达几亿吨) 的天体, 它依靠的是与电子简并压相类似、 但更为强大的中子简并压。 不过可惜的是, 后者的强大也是有限度的, 当中子星的质量超过太阳质量的 3 倍多时, 中子简并压也会在巨大的引力面前败下阵来, 这时的恒星就真的没救了, 它的归宿只有一个, 那就是黑洞[注四]。 因此黑洞不仅是施瓦西解 (以及后来发现的若干其它解) 的推论, 更是大质量恒星演化的必然归宿。

但所有这些都只是理论, 接下来的问题是: 象黑洞那样 “黑” 的东西, 如何才能得到观测上的证实? 答案是: “解铃还需系铃人”, 能帮助我们观测黑洞的, 恰恰是那个使黑洞变 “黑” 的幕后推手——引力。 黑洞虽然不发光, 它的巨大引力却足以造成许多极为显著的观测效应, 比方说, 如果黑洞附近有足够多的物质, 甚至有大质量的伴星, 黑洞的巨大引力就会吞噬那些物质, 而那些物质则会在掉进黑洞之前 “垂死挣扎”——因剧烈碰撞等原因而发射出强烈的 X 射线。 探测这种 X 射线因此而成为了探测黑洞最重要的手段之一。

好了, 现在我们可以回过头来谈谈本文开头提到的那两组新闻了。 “钱德拉” X 射线太空望远镜之所以能用来寻找黑洞, 正是利用了物质在掉进黑洞之前会发射出强烈的 X 射线这一特点。 而此次发现的黑洞之所以被称为 “最年轻”, 是因为它只有 30 多岁。 我们怎么知道它只有 30 多岁呢? 因为它是 1979 年观测到的一次超新星爆发的遗迹。 不过要补充说明的是, 这个黑洞位于距我们约 5000 万光年之遥的一个漩涡星系中, 我们如今观测到的乃是它在 5000 万年前所发射的 X 射线, 因此它的真正年龄其实是约 5000 万岁而不是 30 多岁。 我们又怎么知道它是黑洞呢? 那是因为天文学家们利用 X 射线能谱等数据估算了它的质量, 结果约为太阳质量的 5-10 倍, 超过了中子星的最大可能质量[注五]。 这就是 “最年轻黑洞” 这一头衔的由来。

大型强子对撞机
大型强子对撞机

接下来再谈谈所谓大型强子对撞机有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻。 大型强子对撞机是一个设计能量为 7 万亿电子伏特 (7 TeV) 的对撞机。 那样的对撞机会产生黑洞吗? 按照广义相对论, 答案是否定的。 因为这种万亿电子伏特 (TeV) 量级的能量在微观上虽然很高, 用宏观标准来衡量却是微乎其微的, 只不过是千万分之一焦耳的量级, 这一丁点儿能量若想形成黑洞, 除非是把它压缩到一个线度为一千亿亿亿亿亿亿分之一米 (10-51 米) 的区域内, 这比所谓的普朗克长度 (Planck length) 还小得多, 与大型强子对撞机所能触及的最小线度相比, 更是只有后者的一亿亿亿亿分之一 (10-32)。 因此按照广义相对论, 大型强子对撞机是绝不可能产生微型黑洞的。

既然如此, 为什么仍有那么多人担心微型黑洞呢? 因为他们背后有 “军师” 在指点, 那些 “军师” 为他们的担心注入了一条重要理由, 那就是在某些现代物理理论——比如超弦理论 (superstring theory)——中, 时空有不止四个维度。 由于引力与时空密切相关, 因此时空若有不止四个维度, 引力的规律也将有所不同, 而引力的规律一旦不同, 产生黑洞的条件就会发生变化。 理论计算表明, 在那些带有额外维度的理论中, 确实存在一些尚未被实验所排除的参数范围, 使得大型强子对撞机有可能产生黑洞。

这么一来, 事情就不太妙了。 虽然那些认为时空有不止四个维度的理论目前还都只是假设性的, 而那些使大型强子对撞机能产生黑洞的参数范围更是假设中的假设。 但无可否认的是, 有不少物理学家对那样的理论寄予厚望。 因此, 那样的理论所允许发生的事情即便只是假设性的, 也不容忽视。 毕竟, 我们只有一个地球, 实在不敢拿她去赌哪怕最细微的风险。

幸运的是, 即便那些假设性的理论是正确的, 并且参数也恰好处在能使大型强子对撞机产生黑洞的范围内, 那样的黑洞依然是不可能毁灭地球的。 因为黑洞还有一个我们尚未介绍的重要特点, 那就是它并不是完全 “黑” 的。 1974 年, 英国物理学家霍金 (Stephen Hawking) 发现, 由于量子效应的影响, 黑洞会向外辐射能量。 这种所谓的霍金辐射 (Hawking radiation) 对于大质量黑洞来说是微乎其微的, 但对微型黑洞却极为显著, 而且在时空有不止四个维度的情况下依然存在。 计算表明, 由于霍金辐射的存在, 即便大型强子对撞机能够产生黑洞, 那些黑洞也会在瞬息之间就 “人间蒸发”, 别说毁灭地球, 就连侵吞一两个原子都未必来得及。

至此, 大型强子对撞机有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻似乎该烟消云散了。 但事实却不然, 有些人依然表示怀疑, 因为霍金辐射尚未被观测证实过。 虽然有关微型黑洞毁灭地球的担心本身也是建立在尚未被观测证实过的理论之上的, 但当科学家们用同样类型的理论来回答他们的担心时, 有些人却拒绝接受。 对于这种近乎偏执的怀疑, 有一样东西可以替科学家们作出回应, 那就是宇宙射线。

大型强子对撞机是人类迄今所建能量最高的对撞机, 但浩瀚的宇宙却有各种办法产生比那高得多的能量。 观测表明, 我们所栖居的地球每秒钟都会受到十万次以上的超高能宇宙射线的轰击, 那些宇宙射线与地球物质发生碰撞时所具有的能量比大型强子对撞机的能量更高[注六], 而且那样的轰击自地球诞生以来, 在长达 45 亿年的时间里从未间断过, 相当于每时每刻都有大型强子对撞机在运行。 如果大型强子对撞机果真有产生微型黑洞并毁灭地球的风险, 无论其理论机制是什么, 那样的风险都早该被宇宙射线转化为现实了。 我们今天仍能坐在地球上争论这一问题本身, 就很好地说明了那样的风险并不存在。 事实上, 如果我们把眼光放得更远一点, 那么不仅地球每时每刻都受到大量超高能宇宙射线的轰击, 表面积是地球一万多倍的太阳更是一个大得多的靶子, 如果那样的轰击有危险的话, 象太阳那样的庞然大物无疑会比地球死得更快。 因此, 包括太阳在内所有恒星的存在全都是极强的证据, 表明大型强子对撞机因产生微型黑洞而毁灭地球的风险是完全可以排除的[注七]

事实上, 大型强子对撞机若果真能产生微型黑洞的话, 那不但不是什么风险, 反而是了不起的实验成就, 因为那不仅是对某些现代物理理论的绝佳检验, 而且还是研究霍金辐射的最好、 甚至有可能是唯一的直接手段。

注释

  1. 更准确的说法是周长不到 18.6 公里 (3 公里 × 2π), 因为那才是具有观测意义的量。 但为行文方便起见, 我们仍将使用 “半径” 这一术语, 只不过它的真正含义是周长除以 2π, 而非径向距离。
  2. 现代意义下的黑洞 (施瓦西黑洞只是其中最简单的一种) 与米歇尔和拉普拉斯的 “暗星” 很不相同, 比如后者只是远方的观测者无法看到 (由于作为微粒的光在 “暗星” 引力场中仍可运动一段距离, 因此近处的观测者仍可看到), 而前者则对于任何外部观测者都是 “黑” 的。
  3. 爱因斯坦计算了黑洞附近圆轨道上的粒子运动速度, 结果发现轨道半径小于黑洞临界半径的 1.5 倍时, 粒子运动速度会超过光速。 他据此认为黑洞是不可能存在的。 这一意见的幼稚之处在于, 那计算无非说明在黑洞近旁粒子不可能维持圆轨道 (除非有外力), 而并不表示黑洞无法存在。 这就好比在一个大漩涡里游泳者无法维持圆轨道, 并不表示大漩涡不可能存在。
  4. 有人提出过比中子星更致密的所谓 “夸克星” (quark star)。 不过 “夸克星” 即便存在, 其密度也只会比中子星略大 (如果说中子星象一个巨型原子核, 那么夸克星就象一个巨型核子)。 “夸克星” 是否存在目前尚有争议, 不过理论研究显示, 无论它存在与否, 都不太可能显著改变耗尽核聚变能量后大质量天体坍缩为黑洞的临界值。
  5. 不过, 由于对中子星最大可能质量的计算以及对 “最年轻黑洞” 的质量估算都有一定的误差, 因此该天体究竟是黑洞还是中子星目前尚有一定的争议, 只能说它有较大的可能性是黑洞。
  6. 这个能量是指质心系能量。
  7. 严格讲, 由高能宇宙射线产生的微型黑洞——如果有的话——与大型强子对撞机产生的微型黑洞有一个区别, 那就是前者是高速运动的, 从而会很快穿过地球。 但研究表明, 即便如此, 假如那样的微型黑洞能够被产生, 并且有毁灭星球的威力的话, 宇宙中那些高度致密、 且具有强引力场的天体——比如白矮星和中子星——仍会因为俘获那样的黑洞而迅速灭亡, 这同样与观测明显不符。

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