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    黑洞到底存不存在?

    2015-07-02 13:21  |  来源:百度知道  |  人气:

    黑洞是宇宙中最怪异的时空结构,任何物质包括光都无法从中逃离出来。虽然怪异,但今天的科学家大都认为,黑洞不仅是广义相对论的理论产物,而且是真实存在的。

      黑洞是宇宙中最怪异的时空结构,任何物质包括光都无法从中逃离出来。虽然怪异,但今天的科学家大都认为,黑洞不仅是广义相对论的理论产物,而且是真实存在的。通过观测,天文学家已经发现了很多个黑洞,而且经常有新的黑洞被发现。例如,最近中国的天文学家就发现了人类已知的最大黑洞,质量大约为120亿倍太阳质量。

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      但最近,美国物理学家劳拉·梅尔辛-霍顿发表了一篇文章,声称黑洞并不存在。虽然之前也有许多人这样说过,例如英国物理学家霍金也曾说过“黑洞不存在”(不过他指的是字面意思)。但是梅尔辛-霍顿的研究极为特殊,看似无懈可击。如果她是正确的话,那么物理学和天文学都得重新改写。

      那么是否要把黑洞扔进科学史的垃圾桶里?先别急着回答,首先我们来看看这位物理学家为什么认为黑洞不存在。

      没有黑洞,只有爆炸

      霍金在1974年发现,尽管任何物质都无法从黑洞里逃离出来,但黑洞会产生辐射。这种辐射被叫做霍金辐射,它是一种量子现象,出现的原因是真空中会随机出现一对“虚粒子”。这对虚粒子一个具有正能量,一个具有负能量,加起来为零。通常情况下它们出现后会彼此迅速湮灭掉,但是如果它们出现在黑洞的事件视界(即黑洞的表面)附近,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞。虽然有一个粒子已经掉到黑洞里面去了。但掉进黑洞的粒子具有负能量,会减少黑洞的质量。这样时间一长,黑洞就会不停地产生粒子并向外辐射,并损失质量。

      梅尔辛-霍顿的研究就是基于霍金辐射的。大多数的黑洞(即恒星级别的黑洞),是通过恒星的坍缩形成的。她认为,当恒星在晚年坍缩时,霍金辐射就已经出现了,这时会有负能量不断注入恒星内核,并减少它的质量。这样一来,负能量会产生一种排斥力,在恒星即将变成黑洞之前,恒星会因排斥力会停止坍缩,并反弹开来,这就根本就无法形成黑洞,所以她认为黑洞不存在。

      可是,如果恒星级黑洞不存在,那天文学家成天观测的是什么?

      是的,弗吉尼娅,真的有黑洞

      很显然,黑洞是很难直接被观测到的。另外,也无法通过霍金辐射直接看到黑洞,因为这种辐射太弱了。尽管如此,我们仍可以找到黑洞存在的证据。如果它们不是黑洞,也至少看起来像黑洞。

      首先,被发现的黑洞很少是一个孤立系统。黑洞周围常常有物质(通常来自伴星)围绕或落入其中,这样物质会在黑洞周围形成吸积盘,就像不幸的船只被卷入漩涡中。物质越靠近黑洞速度就越快,物质之间会产生摩擦,生成热量并产生X射线,并可被我们的望远镜观测到。另外,黑洞对伴星的影响也可以被观测到。

      我们怎么知道我们所看到的就是黑洞呢?天文学家可以对它周围物质(例如吸积盘和伴星)的运动情况进行分析,推测出这个物体的质量和体积,然后就可以使用广义相对论来分析它是否足以形成一个黑洞。这个论证过程很难会有差错,因为我们的力学理论和广义相对论都经受住了各种考验,而且准确地预测了各种现象。所以一位美国天体物理学家针对梅尔辛-霍顿的理论热情洋溢地回复到:

      “黑洞绝对存在,我们通过观测就能知晓。我们通过围绕银河系中心恒星的轨道,知道那里有一个超大质量黑洞;我们知道有双黑洞系统;我们已经发现了超过100万个黑洞的红外信号;我们知道有恒星级黑洞和中级质量黑洞;我们可以看见气体云被黑洞的引力所撕碎;我们还可以获取黑洞的照片(例如左面这张)。是的,弗吉尼娅,真的有黑洞。”(“弗吉尼娅”是一位8岁小女孩的名字,她曾写信给《纽约太阳报》,询问是否有圣诞老人。《纽约太阳报》回复中说:“是的,弗吉尼娅,真的有圣诞老人。”这句话成为一个句式,广为流传。)

      有如此强有力的观测证据证明黑洞是存在的,那么梅尔辛-霍顿的研究是怎么回事?如果她的研究没有问题,那么如何解释这些观测结果呢?她后来回复说,我们所观测到的很像黑洞,但它们没有事件视界和奇点,我们应该给它们换个名字,因为它们不是黑的。但因为她所说的这个东西与黑洞很难区分,所以目前还无法验证她的这种观点。

      这个模型是错的

      如果观测证据表明黑洞真的存在,那么梅尔辛-霍顿的模型是否在哪个地方出错了呢?其中一个嫌疑最大的地方就是负能量,这个可能是霍金辐射中最令人困惑的概念。当负能量进入黑洞内部,会使得黑洞损失质量。就是这么简单吗?负能量为什么会是负的呢?

      美国天体物理学家安德鲁·汉密尔顿指出,梅尔辛-霍顿把黑洞内的霍金辐射看成具有负能量的流体,具有排斥力,最终会使得黑洞反弹而不是形成奇点,这个理论是错误的。

      汉密尔顿认为,霍金辐射只能在事件视界附近产生,如果不存在事件视界,那么就没有霍金辐射。所以,当恒星在晚年坍缩时,霍金辐射就已经出现了的说法是错误的,因为没有事件视界的出现。另外,霍金辐射产生的粒子在黑洞内部具有负能量,但是对于附近的观察者来说这个粒子还是正的,不会对周围产生排斥力,所以梅尔辛-霍顿所说的排斥力是不存在。因此,她的模型就有了问题。

      其他一些科学家也认同汉密尔顿的观点。另外还有人指出,霍金辐射作用十分微弱,根本没有梅尔辛-霍顿所预期的那样强。

      没有黑洞,就没有悖论

      另外,梅尔辛-霍顿的文章里提到了一个所谓的“火墙悖论”。火墙是霍金辐射粒子在事件视界上形成的一堵墙,会阻止新的物质向里面落入,但广义相对论认为,观测者穿过事件视界时不会注意到有任何变化,时空是光滑的。这个问题被称为“火墙悖论”,而且目前还没有达成一致的解决方案。但霍顿认为她的理论就是一种解决方案,因为黑洞根本不存在,那么就没有什么火墙悖论了。

      但是火墙悖论的存在,并不意味着黑洞不存在。黑洞产生火墙是通过量子力学得出的结论,而这结果与广义相对论相矛盾,所以这种悖论本质上是广义相对论与量子力学不相容的结果。我们可能需要一种能把广义相对论与量子力学结合在一起的理论,才能真正解决火墙悖论。

      其他种类的黑洞

      另外一个问题,梅尔辛-霍顿的文章只考虑了恒星级黑洞,因为其他种类的黑洞可能由完全不同的机制形成的。

      理论上,黑洞的质量可以是任何值。你可以把一个苹果或任何其他的东西变为黑洞,只要你能把它压缩得足够小。甚至微观黑洞都可以存在,但目前还没有观测到微观黑洞,而且如何形成这种小的黑洞也尚不知晓。

      另一面则是超大质量黑洞,其质量至少是10万倍太阳质量,大的可达百万倍太阳质量。超大质量黑洞是个神秘事物,因为我们还不清楚它们是怎么形成的。事实上没有哪个恒星大到能够坍缩成超大质量黑洞。

      观测显示,每一个星系中心都具有超大质量黑洞,甚至最小的矮星系都有超大质量黑洞。而且观测显示,它们不可能不是黑洞。例如,银河系中有一个非常光亮及致密的无线电波源,叫做人马座A*,有很多颗恒星以不同的轨道围绕着它,我们据此可以计算出这里含有的物质的质量和体积。结果表明,人马座A*这里存在的物质具有很大的质量,超过400万倍太阳质量,而且这些质量被限制在4400万千米直径的球体内(水星离太阳最近的距离约为4600万千米)。根据广义相对论,这里必然存在着一个黑洞。

      另一种黑洞则是处在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的黑洞,叫做中级质量黑洞,质量可达数百个太阳质量或更多,天文学家还不清楚它们是怎么形成的。一些解释认为它们可能是多个恒星级黑洞合并形成的,或宇宙大爆炸之后早期物质的坍缩。中级质量黑洞的是否真的存在还有待证实,不过目前已经发现了一些候选者。

      梅尔辛-霍顿的模型与上面的情况不相符。即使她是对的,恒星级黑洞真的不能形成,那么也许可以通过其他途径来形成黑洞。

      总之,基于堆积如山的观测证据证明黑洞是存在的,而一个新的理论的提出还不足以来把黑洞概念抛弃掉。不管怎样,她的理论还是有价值的,值得物理学家和天文学家重新思考,虽然大多数的人并不是她理论的粉丝。

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