“没有人看见过黑洞”

“没有人看见过黑洞”
南方周末　  　2007-07-12 15:32:51
最新研究挑战黑洞存在理论，正确与否有待验证
“没有人看见过黑洞”
□任霄鹏
美国科学家最近发表论文指出，在引入爱因斯坦广义相对论的时间延缓效应情况下，一直被人们认为普遍存在于宇宙之中的黑洞可能无法形成
黑洞真的存在吗？
作为本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一，黑洞吸引了太多人的注意。互联网上关于黑洞的文章常常能够引发数百条回帖和评论，人们对于这一问题的兴趣和热情可见一斑。耳濡目染之下，人们已经习惯认为，黑洞确实存在于宇宙当中。
然而没有任何人亲眼看见过黑洞，也没有确凿的证据保证黑洞存在的绝对性。从20世纪60年代美国物理学家约翰·惠勒提出了黑洞这个概念起，关于黑洞存在与否的争论就没有停止过。
早在2005年3月，美国天体物理学家乔治·钱普拉因就表示，宇宙中没有黑洞，所谓的黑洞是由“暗能量”组成的巨大星体。而在最近，美国凯斯西储大学的物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence　Krauss)则在国际顶尖学术杂志《物理评论》上撰文指出，根据他和同事在爱因斯坦广义相对论基础上所做的最新研究，黑洞是不可能存在的。这无疑又将激起公众认识上的波澜———黑洞真的存在吗？
天文学家的看法
在天文学家看来，黑洞与太阳、地球一样，也就是一种天体。只不过一般的天体有光线射出，我们能够用望远镜真切地观测到它们。
相比之下，黑洞是个贪得无厌的家伙，也是一个“隐身”高手。黑洞边缘的“大口”能将周围空间的一切物质吸入其中，而它的超强引力就连光线进入后都无法逃脱。正因如此，黑洞是很黑的，寻找黑洞就好比在黑夜中寻找黑猫。
尽管如此，几乎所有的天文学家都认为黑洞是存在的，因为他们的观测证据表明，天空中确实存在着引力巨大的物质来影响天体的分布和运动。
根据天文学家的推测，宇宙中存在的许多黑洞都是伴随着超大质量恒星的死亡而形成的。恒星一辈子都在通过热核反应发光发热，不断消耗自身物质。当恒星衰老时，中心能量已所剩无几，再也无法继续对抗自身的引力。在巨大的压力之下，恒星的核心开始坍缩，直到最终形成体积很小、密度很大的星体，才能重新稳定下来。
1928年，印度科学家萨拉玛尼安·钱德拉塞卡通过计算发现，如果一颗恒星超过3个太阳的质量，那么它在死亡后最终必将会坍缩成比白矮星和中子星更加致密的形态———黑洞。这一质量也因此被称为“钱德拉塞卡极限”。
可以肯定的是，到目前为止，天文学家从未直接观测到任何一个黑洞，更不要说对黑洞内部结构的直观认识。不过，他们公认的思想是：宇宙中存在大量的黑洞，每个星系至少拥有一个，我们生存的银河系中央也有一个质量是太阳的10万倍的巨大黑洞。
人们不禁要问，既然看不到黑洞，这样的认识又是从何而来的？实际上，具体的判断大都是基于很多间接的天文观测证据。虽然无法通过光线反射来直接观察黑洞，但可以通过受其影响的周围物体来间接地了解黑洞。比如，通过测量黑洞周围的可见星体的质量和运动速度，就可以根据牛顿万有引力公式间接推算出吸引它们转动的黑洞质量。如果这一质量超过3个太阳质量，那么必然就是一个黑洞。
物理学家的理论
与天文学家相比，理论物理学家对黑洞问题的关注点有所不同，而他们也是真正“喜欢”提出各种黑洞理论的人，其中就包括黑洞不存在的理论。
著名理论物理学家、《时间简史》的作者史蒂芬·霍金是第一位将量子力学引入黑洞物理研究的人。量子力学与牛顿经典力学的最大差别，就是它关注原子、电子等微观粒子而非宏观物体的运动规律。考虑到黑洞的量子力学效应，霍金在1974年提出了让整个科学界为之震动的发现，即黑洞的温度不为零。按照物理学原理，一切有温度的物体都要释放出热量(热辐射)，因此霍金认为，“黑洞并没有想象中的那样黑”，从一形成开始它就会缓慢地“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，进入黑洞的事物都在几十亿甚至几万亿年后重见天日。这就是著名的“霍金辐射”(Hawking　Radiation)理论。
而仅仅两年之后，霍金又为整个学术界出了一道难题。他认为，进入黑洞的物体，本身所具有的信息全部都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底摧毁和抹杀的，这就形成了“黑洞信息悖论”。
在最新的研究中，克劳斯和同事花了将近一年的时间，构建了一个复杂的数学公式，用于研究黑洞形成过程和霍金提出的悖论。通过引入了爱因斯坦广义相对论中的时间延缓效应(relativistic　effect　of　time)，研究人员发现，黑洞可能无法形成。
“需要无限长的时间”
爱因斯坦于1915年提出的广义相对论认为，时间和空间不是绝对的，大质量物体的引力能够弯曲空间，并使时间变慢。这就好像光本来是沿直线传播的，而强大的引力会把它拉得偏离原来的方向。由于我们的地球质量相对较小，所以从一个地方到另一个地方，引力变化不大，所以时间差距也不大。比如，喜马拉雅山的顶部和山底只差几千亿分之一秒。但黑洞的质量是巨大的，因此从黑洞附近的一个地方到另一个地方，引力变化会很大，所以时间差异也十分显著。
对于广义相对论，有一段很经典的描述：飞向黑洞的宇宙飞船中的乘客会感觉到飞船在加速，而在黑洞外部遥远的观测者看来，飞船的速度却在变慢。而当飞船到达黑洞边界时，观测者会认为飞船似乎会永远停在那里。
对此克劳斯表示，时间能够在那个点上停止下来，这就意味着时间对于黑洞而言是无限的。黑洞如果能够形成，那么随着质量和引力的增加，它的形成过程也会越来越慢，直至需要无限长的时间。而在这个过程中，黑洞通过霍金辐射还会不间断地向外释放物质，二者竞争的结果就是黑洞在形成之前就已经蒸发消失了。他说，“这就好比是向一个没有底的瓶子里倒水，永远倒不满。”
另外两位研究人员斯托伊科维奇和瓦恰斯帕蒂也表示，“如果你将黑洞定义成一个你能够完全丢失某些物体的地方，那你就错了，因为黑洞在任何触目所及的东西落入当中之前就会蒸发殆尽。即使一个人坐在黑洞外面，然后朝黑洞里扔某些东西，在他看来，这些东西也永远不会进入黑洞，而是待在黑洞边界外面。”
有人赞同，有人反对
对于克劳斯等人在此次提出的结论，当然也是众说纷纭，有人认同，有人反对。美国加州大学圣芭芭拉分校的物理学家汤·马洛夫表示，“该研究结果表明，霍金辐射的影响和效果比预想的要大得多。如果能够找到坚实的证据，这将是一件相当有趣的事情。”
与马洛夫形成鲜明对比的是，诺贝尔奖获得者、荷兰乌德勒支大学的杰拉德斯·胡夫特并不认同凯斯西储大学的研究发现。他说，“在研究所描述的过程中，不可能产生足够的霍金辐射，使黑洞如他所言的那样快速地消失。”
而美国宇航局戈达德空间飞行中心的天文学家金柏丽·韦弗则评论说，“人们对黑洞和宇宙的认识不会如此之快。”尽管她十分欣赏凯斯西储大学科研小组所描述的结论，但问题是人类目前的观测还没有找到任何能够支持这一观点的事实证据，而天文学家确实在银河系中央的超大黑洞附近观测到星际物质毫无踪迹地消失。
有趣的是，凯斯西储大学的物理学家很快对外表示，航天员与天文学家多年来所观察到事实并没有问题。他们的新发现最有价值的地方在于，对外部观察者而言，黑洞边界的形成将花上无限长的时间。之所以天文学家会认为宇宙中遍布着黑洞，可能是由能够产生巨大引力的特大质量恒星遗骸引起的类似效果。或许2006年7月，美国科学家席尔德所发现的一个一直被当作黑洞的特大类星体能够为研究人员的这一解释提供一些支持。
理论不完善的结果
对于最新的研究结论，中国科学院理论物理所专门从事黑洞物理研究的蔡荣根的反应是，说黑洞不存在并不奇怪，黑洞的争论现状是由于理论不完善造成的。
蔡荣根说，“尽管黑洞提出已经有50年，但科学家对黑洞的了解还并不充分。与牛顿力学定律能够完全地描述日常物体的运动不同，能够完全描述黑洞的理论框架还没有建立起来，因此，克劳斯进行的理论研究必定有一些假定的前提条件作为基础。即使他的结果和推断是正确的，但工作假定是否正确还要打上问号。”
蔡荣根表示：“黑洞是量子引力的第一个实验室，这是继牛顿万有引力之后，科学家希望建立起来的又一理论体系。”他强调，“科学研究，特别是理论物理的前沿研究，各种观点都是允许的，也是并存的，也只有引起大家的争论，才能最终达到真理的目标。”
理论物理学家惊人地相似：他们似乎并不在乎是否在实际中观测到黑洞的存在，也不怕争论。这正应了克劳斯所说的，“我们希望我们的发现至少能刺激大家对黑洞问题进行更广泛的重新思考。”

天文学家普遍认为，宇宙中遍布着黑洞，但他们并没有真正观测到黑洞的存在