科學探索黑洞之謎
在1995年，科學家觀測一個名為MCC—6—30～15的活躍星系時，發現來自這個星系中心的X射線發生了引力紅移。
所謂引力紅移，用愛因斯坦的廣義相對論來解釋，就是在強引力作用下出現的時間似乎變慢（其實是光波長變長）的現象，這是非黑洞理論無法解釋的。這個現象被確認，其意義就相當於直接觀測到黑洞。於是，很多科學家由此達成共識：所有星系的中心都應存在巨型黑洞，我們的銀河系也不例外。
然而，2007年美國航空航天局出人意料地宣布，天文學家在緊鄰銀河系中心的區域發現了數十顆龐大而且非常明亮的恆星。這一發現讓專家感到萬分詫異：如果銀河系中心存在一個巨型黑洞，那麼在黑洞附近是不可能存在任何天體的。也就是說，發現這數十顆龐大的恆星，將銀河系中心存在巨型黑洞的可能性幾乎降為零。
在星系中心是否有黑洞的問題上，上述兩種觀測結果相互矛盾，在人們感到困惑的同時，也更激起人們揭開黑洞神秘面紗的興趣。那麼，黑洞到底是個什麼樣的奇怪天體？
早在1783年，英國劍橋大學的約翰·米歇爾便撰文指出，一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有極其強大的引力場，以致連光都不能逃逸。這樣的恆星，雖然我們無法看到它們發出的光，但卻可以感受到它們的巨大引力。
1798年，法國著名數學家、天文學家拉普拉斯根據牛頓的引力定律也預言了黑洞的存在。他說：「一個密度如地球而直徑為250個太陽的發光恆星，由於其引力的作用，將不允許任何光線離開它。由於這個原因，宇宙中最大的發光天體也不能被我們看見。」當時，他稱這種天體為「黑暗的一團」。
在那個時代，有關黑洞的預言可以說是比較離奇的，很難被人們接受。因此在相當長的一段時間裡，黑洞的預言沒有引起人們足夠的關注。
進入20世紀，廣義相對論的發表在整個科學界引發震動，其中的一些論點支持了上述黑洞的預言。愛因斯坦通過嚴格計算髮現，這種特殊天體所產生的引力非常強大，能夠扭曲空間與時間，將大量物質與能量壓縮到一個很小的點——奇點——上，沒有任何物質能夠從中逃脫，即便是光也沒有可能。
此後，德國天文學家K.史瓦西於1916年提出了廣義相對論球對稱引力場的嚴格解，並在其中明確地提出了黑洞設想。他認為，在高緻密天體或大質量天體周圍的某一區域內，逃逸速度等於光速，任何物質和輻射都不能逸出。也就是說，當恆星的半徑小於一特定值時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恆星就變成了黑洞。這就是後來在天文學上常說的「史瓦西半徑」。
1939年，美國物理學家奧本海默根據廣義相對論證明，一顆質量足夠大的恆星（超過太陽質量的3.2倍）在自身引力的作用下，將能坍縮到它的引力半徑範圍內，它發射出的光或其他粒子，都不能逃出這個範圍。
科學家給黑洞設的基本定義是：它是一個具有封閉視界的天體，引力巨大，外來的物質和輻射能進入視界以內，但視界內的任何物質（包括光線）都不能跑到外面來。這個視界就是黑洞的邊界。根據這一描述我們可以發現，如果銀河系中心有一個巨型黑洞的話，由於它具有巨大引力，可以將周圍的所有物質都吸進去。也就是說，如果黑洞周圍有恆星的話，它們必將被撕裂後吸入黑洞之中。然而奇怪的是，天文學家在緊鄰銀河系中心的區域內，竟然發現了數十顆體形完好且龐大無比的恆星。這一發現基本上排除了銀河系中心有巨型黑洞的說法。
星系的中心究竟有沒有黑洞？還是銀河系只是一個特例？另外，假如銀河系中心有黑洞的話，它會不會因為一種特殊的原因，可以將包括恆星在內的其他物質「關」在門外？類似這樣的一些問題，有待於科研人員不斷探索，逐步找到正確的答案。
之二：黑洞何時露出真面目？
星系的中心究竟有沒有黑洞？宇宙空間中真實的黑洞究竟在哪裡？時至今日，尋找黑洞的工作已經進行了半個多世紀了，人們是否找到了黑洞的影子？
要想找到黑洞，就必須對黑洞的特性進行了解，從而為捕捉到黑洞創造條件。目前，在天文學家心目中，黑洞是這樣一種奇特的天體：它的體征類似星球又不是星球。說它類似星球，是因為它也有一個圓的總體體征並彙集到一個點上，只不過它的密度非常大，靠近它的物體都被它的引力所約束，不管用多大的速度都無法逃離，我們看到的只是漆黑一片。說它不是星球，是因為它根本就不是星體，而只是宇宙空間中的一個區域。這個區域的表面像是一個封閉的「膜」，人們把這個「膜」稱為視界。這個視界將黑洞內部與外部完全隔離開來，外面是宇宙空間，而裡面則是另一個世界。
黑洞視界的裡面非常奇妙，令人嚮往也令人恐懼。假如一位宇航員拿著時鐘到達黑洞視界邊緣，時鐘就會停止；而宇航員會在進入視界的一瞬間就像被抻長了的麵條那樣斷成一節節，然後以光速向黑洞中心墜落。在黑洞中心，所有物質彼此極其緊密地擠壓在一起，成為一個密度無限大但體積為零的點，人們稱這個點為黑洞奇點。
從黑洞的特性上我們可以知曉，它完全是隱形的，想直接觀測到它根本沒有可能。因此，搜索黑洞的工作是極其困難的，只能從它對外界產生的影響和發生的某種作用上去推測。
起初，天文學家希望黑洞恰巧是雙星系統中的一個成員，這樣就可以從某』一顆星圍繞著不明天體旋轉時，覺察到黑洞並將其找出來。按照這一思路，轟動一時的黑洞候選者——御夫座э星——脫穎而出。在這個雙星系統中，主星是一顆明亮的超巨星，用肉眼便可以看見，而它的伴星卻看不見。天文學家雖然不敢確定這顆伴星就是黑洞，但根據目前的觀測資料又不能完全排除這一可能性。
另有科學家認為，對宇宙中的x射線源進行觀測，也可以幫助人們找到黑洞，因為物質在以極快的速度沿視界附近的螺旋曲線向黑洞中心墜落時，會發射出很強的X射線。於是，天鵝座X-1就成為天文學家公認的最有希望的黑洞候選者。
天文學家通過觀測和分析發現，天鵝座X-1的主星是一顆藍超巨星，它的大量氣體物質正源源不斷地流向相鄰的、看不見的X射線伴星（如題圖），而且這顆伴星的質量遠遠超過了中子星的質量極限。因此，它極有可能就是黑洞。
就天鵝座X-1是否是黑洞的問題，研究界發生了激烈的爭論，以致兩位國外較著名的科學家都為它打賭，輸者要給贏者訂閱1年的雜誌，但至今尚未見分曉。
之後，天文學家又從銀河系及麥哲倫星雲中發現了幾個類似天鵝X-1的天體，這些都是疑似黑洞的證據。然而，這個結論還不能下得太早，有待於科學家進一步證實。
而1995年觀測到的引力紅移現象，無疑是最為接近的發現黑洞的證據。因為到目前為止，用不是黑洞的各種理論都無法解釋引力紅移現象。由此，人們倍感興奮，距離發現黑洞的時刻似乎越來越近了。
然而，還是有一些科學家對此冷另眼相看，根本不看好黑洞之說，認為黑洞本身僅僅停留在理論預言的階段，並且這個理論本身的一些論證尚處於無法被基本邏輯接受的狀態（例如黑洞的中心奇點問題，連廣義相對論的創始人愛因斯坦後來都對此感到疑惑，著名天文學家愛丁頓也認為中心奇點是荒唐的，所以一些科學家對黑洞持否定的態度也就不足為奇了）。但是，兩位當代著名物理學家彭羅斯和霍金已從理論上嚴格證明，黑洞的中心奇點是廣義相對論的必然推論。退一步說，如果黑洞中心不是奇點狀態又應該是一種怎樣的狀態呢？這讓人們更加疑惑，他們到底孰是孰非？
我們相信，隨著科學家的不斷努力，黑洞的真面目將會被逐步揭開。到那時，人類對自然界的認識，必將得到一次新的飛躍。
自20世紀下半葉以來，由於空間探測技術在天文觀測中的廣泛應用，科學家陸續發現了許多高能天體物理現象，例如x射線爆發、伽馬射線爆發、超新星爆發、星系的活動和爆發，以及類星體、脈衝星等。這些高能天體物理現象用人類已知的物理學定律已無法做出解釋，這就使得科學家猜測，應該有一個與黑洞特性相反的天體，它就是白洞。
那麼，科學家是如何描繪白洞的呢？一些科學家猜測，白洞有一個類似黑洞的封閉世界，但與黑洞不同的是，白洞內部的物質和各種輻射只能經邊界向外運動，外界的物質和各種輻射卻無法通過邊界進入它的內部。
這種初步的猜測很快就引起一些科學家的質疑：具有一定質量引力的白洞，憑什麼將它周圍的物質拒之門外？
於是有人為白洞假說進行補充，認為白洞雖然是一個物質只出不進的天體，但無法否認白洞也具有強引力源，它可以將周圍的塵埃、氣體和各種輻射不斷吸引到它的邊界上，只不過這些物質並不能進入自洞內部，只能在邊界外形成一個包圍白洞的物質層。但是，包圍在白洞周圍的物質層為什麼只待在邊界上，不向引力的中心區靠攏呢？
南開大學天文學教授蘇宜認為，白洞純粹是從理論中引申出來的概念，沒有任何事實根據。引申的理由就是物質世界的對稱性（對稱性是20世紀末物理學中最重要的中心思想之一）。
基於這一點，科學家認為白洞與黑洞是對稱的一對相反天體。對此，有學者表示異議。這位學者認為，一些科學家往往只關注了黑洞與白洞之間的對立性，卻將它們之間的聯繫切斷了，這在思維邏輯上是不嚴謹的。他認為白洞與黑洞雖然是具有對稱性的天體設想，但這種對稱性並不是人們所得出的「完全相反」的結論，也不是兩種天體相互對立的景象，而是某一天體在演化過程的不同階段的不同表現特徵。也就是說，天體可以由白洞演化成黑洞，黑洞也可以在一定條件下演化成白洞。
目前，關於白洞是怎樣形成的，科學家主要持有兩種不同的見解。一種觀點認為，當宇宙誕生的那一刻，由於爆炸的不完全性和不均勻性，可能會遺留一些超高密度的物質暫時尚未爆炸，而是等待一定的時間後才開始膨脹和爆炸。這些遺留下來的緻密物質即成為新的局部膨脹的核心，它就是白洞。另一種觀點認為，白洞可能直接由黑洞轉變過來。具有代表性的當屬英國天體物理學家霍金，他認為黑洞具有一定的溫度，會以類似於熱輻射的方式穩定地向外發射各種粒子，這就是所謂的「自發蒸發」理論。黑洞的蒸發速度與黑洞的質量和密度有關，蒸發的過程如果越演越烈，就會以一種反坍縮式的猛烈爆發而結束。這個過程正好就是不斷向外噴射物質的白洞。
甚至還有學者認為，根本就不存在白洞，它只不過是黑洞與恆星之間演化過渡的一個角色。按照這一說法，太空中存在黑洞的地方，有可能過不久就會突然冒出一顆亮星來；如果它噴發的亮度特別大，就極有可能是由黑洞蒸發出來的。與此相反，原本一個明亮的天體（例如遙遠的類星體）說不定哪一天突然不見了（變成了黑洞），再過一段時間，從它消失的位置上又突然爆發出亮光來。如是這般，白洞之說就是多此一舉了，更何況，如今連黑洞是否真實存在還是個未知數，更何談白洞！只有等到黑洞被證實之後，白洞的說法才能提到日程上來。
白洞究竟是否存在？它與黑洞到底是什麼關係？相信在不遠的將來，這些疑難問題會水落石出的。
真的有「時空隧道」嗎？讀者可否知道，比白洞之說更離奇的還有「蟲洞」之說。蟲洞是連接黑洞與白洞的某種神秘通道，在它裡面可以快於光速的速度做宇宙旅行，可以使時光倒流。
此說源於1988年。美國天文學家索恩和他的兩名學生，共同發表文章論述了蟲洞的特性，並認為如果蟲洞開通了黑洞與白洞兩個奇點之間的一條神秘通道（這條通道開在現實的三維空間之外的超空間里），就可以通過這條捷徑從黑洞鑽進奇點，然後從另一個非常遙遠的白洞奇點鑽出。這樣的一種旅行是即時的，等效於超越光速。
然而，一些科學家對此結論難以接受。霍金一開始就持反對態度，認為時間只能向前不能向後的特性是不容破壞的，物理學定律不允許有什麼「時間機器」可以使時光倒流。但索恩的回答是：「在物理學深刻認識量子引力理論之前，我們誰也不能下結論。」美國物理學家福特和羅曼也撰文指出，愛因斯坦的相對論並沒有嚴格排除快於光速的旅行或時光旅行。英國牛津大學的理論物理學教授強森也相信，有朝一日，人類將能夠遨遊宇宙，縱橫古今。
就在兩種對立的說法相持不下時，霍金改變了態度。他在為美國天文學家勞倫斯·克羅士出版的新書《星旅物理學》所作的序中，大膽推翻了自己過去的假設，公開承認了時光旅行的可能性。他說：「當科學尚未能讓人類登上前所未有的奇妙境地之前，科幻小說早已使我們在各種異想天開的可能性中先行盡游……」他表示，一旦把愛因斯坦的相對論及量子論結合在一起思考，發覺超光速星際旅行極可能會造成使人們回到過去的結果時，天文物理學已邁向一個嶄新的紀元！
時至今日，相信人類能夠通過所謂的超光速旅行而回到過去的人越來越多。這不只是因為人們對時光倒流的奇妙想法極為熱衷，更關鍵的是它與奇點理論相襯托，甚至有很多真實事件能夠佐證。
1975年，美國國家航空公司的一架波音737客機正準備在邁阿密國際機場降落。突然，飛機從航管員控制的雷達屏幕上消失，航管員還以為發生了墜機事件。過了10分鐘，該機又從它在雷達屏幕消失的位置上奇蹟般出現，令航管員驚訝不已。飛機降落後，有關人員前往調查，機上所有人都說沒有發生任何異常。不過，最使人不解的是，飛機上所有人的手錶及機上的航空鐘都離奇地比地面時間慢了10分鐘。這消失的10分鐘到哪裡去了？在那奇妙的10分鐘里，飛機又到了哪裡？根據愛因斯坦的相對論，只有飛機加速到接近光速時，這種情況才有可能出現。
類似的事件還有數十起，這些傳聞雖然未經官方證實，聽起來「神乎其神」，但按照黑洞理論去對照，這些事情是有可能發生的。在黑洞中，時間和空間的概念截然不同，用「洞中方一日，世上已千年」來描述都不能算是確切的。因為在這個「洞」中連1秒的時間都沒有，沒有時間也就沒有三維空間，完全是即時的。
現今世界上出現的很多不解之謎，只要與時間和空間有關，那就預示著與黑洞有關。不過，有學者持相反意見，認為任何三維物體都不能進入黑洞，只能不相容地「穿」過黑洞。以「穿」過黑洞作為捷徑，能夠節省大量的時間和消耗，這應該是一種比較現實的時空隧道。
究竟有沒有時空隧道？它是人們的科幻作品，還是確有其事？由於它與黑洞緊密相關，所以，隨著黑洞之謎的逐步破解，時空隧道的真實面目也會顯露出來。
根據廣義相對論，黑洞的引力是如此強大，能夠扭曲空間與時間，將大量的物質與能量壓縮到一個很小的、沒有空間的奇點上，沒有任何物質能夠從中逃脫。但事實真的如此嗎？
20世紀70年代，霍金是堅持黑洞奇點假說的。但根據量子力學「信息不會消失」這一基本原則，他的假設與量子力學相矛盾，並且始終無法化解這一矛盾。後來，霍金終於公開表態放棄自己關於信息消失的假設，向黑洞奇點的熱議潑了一盆冷水。
美國的幾位研究人員在對量子引力做深入研究時，通過複雜的計算證實：黑洞奇點的存在是不被量子引力所允許的，因此黑洞奇點是不可能存在的。這意味著，儘管黑洞中心可能非常緻密，但還不足以永遠俘獲住所有信息。專家對此評論說：「這項研究成果為許多新的解釋敞開了一扇大門，它或許將引領物理學研究超越愛因斯坦。」這項研究雖然否定了奇點之說，但卻沒有直接否定黑洞的存在。與此不同的是，另有一些科學家則乾脆提出，所謂的黑洞純屬子虛烏有，根本就不存在。
無獨有偶，中國的天文學研究者也公開了一項研究成果，得出了一個與前人完全不同，甚至會讓現今所有人都感到驚奇的結論：宇宙大爆炸發生時，假如我們能夠聽到它爆發的聲音，那麼我們聽到的將不是一聲巨響，而是兩聲巨響。他們通過嚴密的論證證明，「天體坍縮定律」所形成的「自然法則」，恰好讓「黑洞奇點」無法出現。
這一研究成果的大意是：在宇宙之始，一個自轉著的「原始火球」發生爆發（坍縮），會導致三種不同的情況：
1.「原始火球」極地區域的自轉線速度接近零，因此這一區域基本上是靜止的。天體爆發時，被拋射出去的物質均做直線運動，快速遠離中心區。天體坍縮時，向內坍縮的物質也均做直線運動，快速沖向中心點。當兩極坍縮達到一定的力度時，就會在中心點上相撞。必然使該天體從內部爆炸。如果該天體的質量小便導致它坍縮的力度小，向內坍縮的物質就到不了中心點，該天體坍縮的結果就會形成中子星。
2.「原始火球」赤道區域的自轉線速度是最快的，因此這一區域一直是運動的。天體爆發時，被拋射出去的物質不是以直線運動的方式快速遠離中心區，而是以曲線運行逐漸遠離中心區並形成旋渦狀，它們最容易保留在爆發前「火球」的赤道延長線上。天體坍縮時。向內坍縮的物質也不是以直線運動的方式直接指向中心區，而是以曲線運行逐漸接近中心區。這一坍縮方式必然導致中心區在物質密度加大的同時自轉加速，這就是中子星密度大而自轉特別快的原因。
3.在「原始火球」的其他區域，自轉線速度快於極地區域而慢於赤道區域，並隨緯度的高低而不同。天體爆發時，被拋射出去的物質分別同時以螺旋的軌道逐漸遠離中心。天體坍縮時也是如此，只不過方向是向內收攏。
根據上面的分析，該研究成果做出結論：天體爆發（坍縮）時，人們會聽到第一聲巨響；當兩極的坍縮物質以極快的速度到達中心時，會以巨大無比的威力相撞，這時人們會聽到第二聲巨響。之後，「火球」中心的物質會被立即炸成無數個質量巨大、密度極高的物質團塊，這些團塊四處飄散，但不會走得太遠，可形成球狀星團聚集在「火球」中心附近，根本就不能將所有物質都坍縮進黑洞奇點中。這一結論，與對銀河系觀測得到的結果極其相符。
上述研究成果僅僅是一家之言，還沒有得到科學界的認可，有待於科學家進行論證，以鑒別真偽。
之六：黑洞究竟是否存在？
有研究者指出，黑洞可以暗能量的形式存在。暗能量黑洞內部沒有質量也沒有密度，整體以虛空的形式產生巨大的負壓以排斥有形物體，從而形成黑洞。當宇宙、超星系團、星系團、星系形成時，天體巨大的爆發力和坍縮力可在一瞬間達到光速，而所有達到光速的區域，都形成了暗能量黑洞。
那麼，如何理解這個暗能量黑洞？
研究者的解釋是，我們所在的這個看得見的有形物質世界，是建立在無形暗能量世界之上的；前者有時空概念，而後者沒有時空概念。在無形暗能量世界中，一切暗能量都是超光速的；而在有形的物質世界中，一切都是亞光速的。光速是兩個不同世界的分水嶺。
不知道大家是否還記得，愛因斯坦在相對論中多次用「愛因斯坦」號列車來舉例說明時空的相對關係。這位研究者則用太空梭來表述暗能量黑洞的特殊性質：
假設：從甲地到乙地的距離是72萬千米，太空梭的航速是24萬千米/時。因此按照常規，從甲地到乙地的飛行時間應是3小時。但是，因為在從甲地到乙地的必經之路上有一個暗能量黑洞，這個黑洞的直徑是24萬千米，於是奇蹟發生了——太空梭從甲地到乙地實際只用了2小時。
這是什麼原因呢？原來，當太空梭的頭部剛剛接觸到暗能量黑洞區域的邊界線時，它同時已經從另一端出了邊界線。儘管如此，這架太空梭沒有斷成兩截，它始終是完整的。
但是，有一件奇怪的事情必然要發生。』假設太空梭是在早上8時起飛的，那麼，在甲地給太空梭送行的人，以及在乙地準備迎接太空梭的人，當然，也包括乘坐太空梭的人，此時他們的手錶所指向的時間全都是8時。可是，當太空梭穿越黑洞抵達乙地時，曾在甲地送行的人和正在乙地迎接太空梭的人，他們的手錶所指向的時間仍然是11時；而太空梭上乘客的手錶所指向的時間卻是10時。所差的時間，正好是穿越暗能量黑洞節省的時間。按照這一結果來類推，太空梭穿越的黑洞越多，它所節省的時間也就越多。
這個暗能量黑洞給人們留下了這樣的印象：它沒有什麼引力，不會把它附近的物質吸進去，只是一個不容三維物質進入的特殊區域；這個特殊區域中的任何一個點，不但時間等於零，而且它的空間對於三維物質而言也等於零。因此，無論什麼三維物質穿過它時，都是即時性的。
但是，一維性的光線通過它時則會發生不同的情況。光線穿過黑洞時會因某種未知原因發生頻率變慢的情況，而頻率變慢即意味著波長變長，這可能就是科學家觀測MCG-6-30-15時，發現來自這個星系中心的x射線產生引力紅移現象的原因。
另外，天體爆發所形成的暗能量黑洞，會像一個被吹大了的氣球一樣早晚要破碎，形成無數個四處飄散和小型暗能量黑洞；而天體坍縮所形成的暗能量黑洞，則會向中心會聚形成巨型暗能量黑洞。按照這一推論，星系的中心應該是存在暗能量黑洞的。天文學家在緊鄰銀河系中心的區域內發現了數十顆龐大而且非常明亮的恆星，但這一發現並不能完全排除銀河系中心存在一個巨型黑洞的可能，只不過這個巨型黑洞不是物理黑洞（黑洞奇點），而可能是暗能量黑洞。
究竟有沒有暗能量黑洞？有什麼辦法能夠發現它的身影？它那四處飄散的「屍體」是否曾經造訪過地球？這許許多多引人入勝的問題，正等待著人們去探索。
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