「沒有人看見過黑洞

06-21

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「沒有人看見過黑洞」發信站：天益社區（http://bbs.tecn.cn），版面：科學精神本文鏈接：http://bbs.tecn.cn/viewthread.php?tid=211247 最新研究挑戰黑洞存在理論，正確與否有待驗證　　「沒有人看見過黑洞」　　　　□任霄鵬　　　　美國科學家最近發表論文指出，在引入愛因斯坦廣義相對論的時間延緩效應情況下，一直被人們認為普遍存在於宇宙之中的黑洞可能無法形成　　　　黑洞真的存在嗎？　　作為本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一，黑洞吸引了太多人的注意。互聯網上關於黑洞的文章常常能夠引發數百條回帖和評論，人們對於這一問題的興趣和熱情可見一斑。耳濡目染之下，人們已經習慣認為，黑洞確實存在於宇宙當中。　　然而沒有任何人親眼看見過黑洞，也沒有確鑿的證據保證黑洞存在的絕對性。從20世紀60年代美國物理學家約翰·惠勒提出了黑洞這個概念起，關於黑洞存在與否的爭論就沒有停止過。　　早在2005年3月，美國天體物理學家喬治·錢普拉因就表示，宇宙中沒有黑洞，所謂的黑洞是由「暗能量」組成的巨大星體。而在最近，美國凱斯西儲大學的物理學家勞倫斯·克勞斯(Lawrence　Krauss)則在國際頂尖學術雜誌《物理評論》上撰文指出，根據他和同事在愛因斯坦廣義相對論基礎上所做的最新研究，黑洞是不可能存在的。這無疑又將激起公眾認識上的波瀾———黑洞真的存在嗎？　　　　天文學家的看法　　在天文學家看來，黑洞與太陽、地球一樣，也就是一種天體。只不過一般的天體有光線射出，我們能夠用望遠鏡真切地觀測到它們。　　相比之下，黑洞是個貪得無厭的傢伙，也是一個「隱身」高手。黑洞邊緣的「大口」能將周圍空間的一切物質吸入其中，而它的超強引力就連光線進入後都無法逃脫。正因如此，黑洞是很黑的，尋找黑洞就好比在黑夜中尋找黑貓。　　儘管如此，幾乎所有的天文學家都認為黑洞是存在的，因為他們的觀測證據表明，天空中確實存在著引力巨大的物質來影響天體的分布和運動。　　根據天文學家的推測，宇宙中存在的許多黑洞都是伴隨著超大質量恆星的死亡而形成的。恆星一輩子都在通過熱核反應發光發熱，不斷消耗自身物質。當恆星衰老時，中心能量已所剩無幾，再也無法繼續對抗自身的引力。在巨大的壓力之下，恆星的核心開始坍縮，直到最終形成體積很小、密度很大的星體，才能重新穩定下來。　　1928年，印度科學家薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡通過計算髮現，如果一顆恆星超過3個太陽的質量，那麼它在死亡後最終必將會坍縮成比白矮星和中子星更加緻密的形態———黑洞。這一質量也因此被稱為「錢德拉塞卡極限」。　　可以肯定的是，到目前為止，天文學家從未直接觀測到任何一個黑洞，更不要說對黑洞內部結構的直觀認識。不過，他們公認的思想是：宇宙中存在大量的黑洞，每個星系至少擁有一個，我們生存的銀河系中央也有一個質量是太陽的10萬倍的巨大黑洞。　　人們不禁要問，既然看不到黑洞，這樣的認識又是從何而來的？實際上，具體的判斷大都是基於很多間接的天文觀測證據。雖然無法通過光線反射來直接觀察黑洞，但可以通過受其影響的周圍物體來間接地了解黑洞。比如，通過測量黑洞周圍的可見星體的質量和運動速度，就可以根據牛頓萬有引力公式間接推算出吸引它們轉動的黑洞質量。如果這一質量超過3個太陽質量，那麼必然就是一個黑洞。　　　　物理學家的理論　　與天文學家相比，理論物理學家對黑洞問題的關注點有所不同，而他們也是真正「喜歡」提出各種黑洞理論的人，其中就包括黑洞不存在的理論。　　著名理論物理學家、《時間簡史》的作者史蒂芬·霍金是第一位將量子力學引入黑洞物理研究的人。量子力學與牛頓經典力學的最大差別，就是它關注原子、電子等微觀粒子而非宏觀物體的運動規律。考慮到黑洞的量子力學效應，霍金在1974年提出了讓整個科學界為之震動的發現，即黑洞的溫度不為零。按照物理學原理，一切有溫度的物體都要釋放出熱量(熱輻射)，因此霍金認為，「黑洞並沒有想像中的那樣黑」，從一形成開始它就會緩慢地「蒸發」輻射出能量，同時損失質量，進入黑洞的事物都在幾十億甚至幾萬億年後重見天日。這就是著名的「霍金輻射」(Hawking　Radiation)理論。　　而僅僅兩年之後，霍金又為整個學術界出了一道難題。他認為，進入黑洞的物體，本身所具有的信息全部都會丟失。而根據量子力學的定律，信息是不可能被徹底摧毀和抹殺的，這就形成了「黑洞信息悖論」。　　在最新的研究中，克勞斯和同事花了將近一年的時間，構建了一個複雜的數學公式，用於研究黑洞形成過程和霍金提出的悖論。通過引入了愛因斯坦廣義相對論中的時間延緩效應(relativistic　effect　of　time)，研究人員發現，黑洞可能無法形成。　　　　「需要無限長的時間」　　愛因斯坦於1915年提出的廣義相對論認為，時間和空間不是絕對的，大質量物體的引力能夠彎曲空間，並使時間變慢。這就好像光本來是沿直線傳播的，而強大的引力會把它拉得偏離原來的方向。由於我們的地球質量相對較小，所以從一個地方到另一個地方，引力變化不大，所以時間差距也不大。比如，喜馬拉雅山的頂部和山底只差幾千億分之一秒。但黑洞的質量是巨大的，因此從黑洞附近的一個地方到另一個地方，引力變化會很大，所以時間差異也十分顯著。　　對於廣義相對論，有一段很經典的描述：飛向黑洞的宇宙飛船中的乘客會感覺到飛船在加速，而在黑洞外部遙遠的觀測者看來，飛船的速度卻在變慢。而當飛船到達黑洞邊界時，觀測者會認為飛船似乎會永遠停在那裡。　　對此克勞斯表示，時間能夠在那個點上停止下來，這就意味著時間對於黑洞而言是無限的。黑洞如果能夠形成，那麼隨著質量和引力的增加，它的形成過程也會越來越慢，直至需要無限長的時間。而在這個過程中，黑洞通過霍金輻射還會不間斷地向外釋放物質，二者競爭的結果就是黑洞在形成之前就已經蒸發消失了。他說，「這就好比是向一個沒有底的瓶子里倒水，永遠倒不滿。」　　另外兩位研究人員斯托伊科維奇和瓦恰斯帕蒂也表示，「如果你將黑洞定義成一個你能夠完全丟失某些物體的地方，那你就錯了，因為黑洞在任何觸目所及的東西落入當中之前就會蒸發殆盡。即使一個人坐在黑洞外面，然後朝黑洞里扔某些東西，在他看來，這些東西也永遠不會進入黑洞，而是待在黑洞邊界外面。」　　　　有人贊同，有人反對　　對於克勞斯等人在此次提出的結論，當然也是眾說紛紜，有人認同，有人反對。美國加州大學聖芭芭拉分校的物理學家湯·馬洛夫表示，「該研究結果表明，霍金輻射的影響和效果比預想的要大得多。如果能夠找到堅實的證據，這將是一件相當有趣的事情。」　　與馬洛夫形成鮮明對比的是，諾貝爾獎獲得者、荷蘭烏德勒支大學的傑拉德斯·胡夫特並不認同凱斯西儲大學的研究發現。他說，「在研究所描述的過程中，不可能產生足夠的霍金輻射，使黑洞如他所言的那樣快速地消失。」　　而美國宇航局戈達德空間飛行中心的天文學家金柏麗·韋弗則評論說，「人們對黑洞和宇宙的認識不會如此之快。」儘管她十分欣賞凱斯西儲大學科研小組所描述的結論，但問題是人類目前的觀測還沒有找到任何能夠支持這一觀點的事實證據，而天文學家確實在銀河系中央的超大黑洞附近觀測到星際物質毫無蹤跡地消失。　　有趣的是，凱斯西儲大學的物理學家很快對外表示，航天員與天文學家多年來所觀察到事實並沒有問題。他們的新發現最有價值的地方在於，對外部觀察者而言，黑洞邊界的形成將花上無限長的時間。之所以天文學家會認為宇宙中遍布著黑洞，可能是由能夠產生巨大引力的特大質量恆星遺骸引起的類似效果。或許2006年7月，美國科學家席爾德所發現的一個一直被當作黑洞的特大類星體能夠為研究人員的這一解釋提供一些支持。　　　　理論不完善的結果　　對於最新的研究結論，中國科學院理論物理所專門從事黑洞物理研究的蔡榮根的反應是，說黑洞不存在並不奇怪，黑洞的爭論現狀是由於理論不完善造成的。　　蔡榮根說，「儘管黑洞提出已經有50年，但科學家對黑洞的了解還並不充分。與牛頓力學定律能夠完全地描述日常物體的運動不同，能夠完全描述黑洞的理論框架還沒有建立起來，因此，克勞斯進行的理論研究必定有一些假定的前提條件作為基礎。即使他的結果和推斷是正確的，但工作假定是否正確還要打上問號。」　　蔡榮根表示：「黑洞是量子引力的第一個實驗室，這是繼牛頓萬有引力之後，科學家希望建立起來的又一理論體系。」他強調，「科學研究，特別是理論物理的前沿研究，各種觀點都是允許的，也是並存的，也只有引起大家的爭論，才能最終達到真理的目標。」　　理論物理學家驚人地相似：他們似乎並不在乎是否在實際中觀測到黑洞的存在，也不怕爭論。這正應了克勞斯所說的，「我們希望我們的發現至少能刺激大家對黑洞問題進行更廣泛的重新思考。」南方周末　　2007-07-12

圖片附件: 天文學家普遍認為，宇宙中遍布著黑洞，但他們並沒有真正觀測到黑洞的存在.jpg (2007-7-12 22:50, 42.67 K)