引力的深渊

-0-引力的深渊——黑洞——浅谈黑洞研究的历史与未来摘要：黑洞，即使是对于科学界来说也是神秘的。对于我们来说，它就更加的难以捉摸了。也可以这样说，黑洞是宇宙中任何物体都无法逃脱的时空区域，包括光线。早期物理学的定义是来源于万有引力定律的一个推论。广义相对论推出后，黑洞当然理所当然的有了它现代物理学的定义，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。当然，黑洞的形成和演化的过程也是十分复杂的一个过程。现在的各个国家也在积极地致力于黑洞甚至是制造人工黑洞模型的研究，相信在未来的几十年，黑洞也将会是科学家们研究的焦点课题。关键字：黑洞引力人工黑洞深渊一、早期黑洞学说的来源和确立黑洞概念的起源要回溯到1783年，虽然那得黑洞概念与我们如今所说的黑洞其实没太大的关系。英国地质学家米歇尔(JohnMichell)利用牛顿万有引力定律和光的微粒说得到了一个推论，如果一颗直径比太阳大几百倍，密度与太阳一样的星球，物体在它表面的逃逸速度将会超过光速C。这意味着该星球对远方观测者来说将成为一颗“暗星”(darkstar)，因为作为微粒的光将无法从它表面逃逸到远方就被引力拉了回来。不久之后(1796年)法国数学家拉普拉斯(Pierre-SimonLaplace)在其著作《世界体系》中也提出了类似的推论。这个在今天看来只有中学水平的推论，就是黑洞-1-概念的萌芽。虽然如此，这样一个学说的提出也对现代黑洞的研究起到了相当重要的作用。为“广义相对论”提出之后黑洞研究的蓬勃发展奠定了坚实的基础。二、现代物理学中的黑洞1916年，在“广义相对论”刚刚提出后，德国数学家、天文学家史瓦西（K.Schwarzschild）就求得了爱因斯坦场方程的第一个严格解，即史瓦西外部解或史瓦西度规。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，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——史瓦西黑洞。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。1939年，“原子弹之父”奥本海默（J.R.Oppenheimer）及其合作者从广义相对论出发，再次预言了黑洞的存在。1963年，克尔（R.P.Kerr）得到了场方程的另一个重要的解：稳态轴对称真空解。该解比史瓦西解更为复杂、普遍，含有更多的物理信息，可以描述转动星体外部时空的情况，为黑洞的研究提供了很好的理论模型。三、黑洞的形成恒星是依靠其中心的核燃烧来对抗自身的强大重力的，一旦其所能燃烧的核燃料耗尽，核心物质会在自引力的作用下发生坍缩。根据恒星质量的不同，最终命运也会不同:一般来讲，质量小于9倍太阳质量的恒星，在生命结束的时候，首先膨胀成为一颗巨大的红巨星，向星际抛射大量气体物质，经过多次抛射，-2-平静下来以后，最终核心物质的质量会在1.4个太阳质量以下，形成为一颗“白矮星”，年轻的白矮星被美丽的行星状星云所包围。据此，我们的太阳最终会形成一颗白矮星。质量大于9倍、小于25倍太阳质量的恒星，在生命结束的时候，也会膨胀成为一颗巨大的红巨星，向星际抛射大量气体物质，然后由于最终核心物质的质量仍然超过了1.4个太阳质量的临界质量，核心物质发生猛烈坍缩，释放出大量能量，把恒星的巨大外层物质猛烈抛射出去，这就是著名的超新星爆发事件。同时，核心物质坍缩成了密度极大的“中子星”。质量大于25倍太阳质量的恒星在生命的终点，经过气体抛射阶段后，核心物质仍然如此之重（大于3倍太阳质量），以至于没有任何力量能与自身强大的重力想抗衡，最终核心物质掉入无尽的深渊——黑洞形成。如果其前身星的旋转轴朝向地球，那么人类就会观测到“伽玛射线爆发”（GRBs），因此，可以说“伽马射线爆发”是黑洞诞生的第一声啼哭！当代天文学发现，宇宙中存在有“超大质量黑洞”（SMBH)，达到从几百到几十亿个太阳质量不等。超大质量黑洞的形成有很多模型。最基本的模型是，恒星级黑洞经过长期吞噬物质，质量逐渐增大所形成；还有一类模型是“致密星团”(densestellarcluster)发生引力坍缩形成超大质量黑洞。天文学中的“类星体”、“活动星系核”以及“射电星系”都与超大质量黑洞吸积物质的高能活动有关。四、人工黑洞相关2005年3月18日英国《卫报》报道，美国布朗大学物理教授‘霍拉蒂·纳斯塔西’在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克-3-海文实验室七年前建造了当时全球最大的粒子加速器，将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小，却具备真正黑洞的许多特点。2008年9月10日，随着第一束质子束流贯穿整个对撞机，欧洲大型强子对撞机正式启动。曾有人担心建于欧洲日内瓦的世界最大‘大型强子对撞机’会制造出黑洞吞噬地球生物（新闻报道，印度一女孩曾因为担心欧洲大型强子对撞机会制出黑洞毁灭地球而自杀）。尽管欧洲的科学家一再解释这个不会对地球造成威胁，但大型强子对撞机就相当于一个‘人造黑洞’制造机器。它有着“黑洞”之名，虽然尺寸“迷你”，但任何经过的电磁波或光，都不可能逃离它的引力。2009年10月15日，《科学》杂志宣布，世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。这些新闻的发布，让我们有了一种感觉，黑洞离我们的距离正在逐渐的减少，或许在未来，这一个看似神秘的事务讲充斥这或者说改变着我们的生活。人工黑洞的研究与制造对于人类来说或许应该说是一件好事。任何一项物理的研究成果都可能改变人类社会未来的生活。或许，我们应该期待这些研究成果对我们生活可能的改变。五、黑洞研究的最新消息据国外媒体报道，一个欧洲天文学家小组利用欧洲南方天文台甚大望远镜和辅助望远镜阵列观测并研究宇宙中距离地球最遥远的类星体。类星体作为宇宙极为神秘的天体，其辐射功率常常具有惊人的数量级。而天文学家观测到的这个类星体编号为ULASJ1120+0641，其辐射功率由一个质-4-量巨大的黑洞推动，达到20亿倍太阳质量。这是迄今为止在早期宇宙中发现的最远且最亮的天体。这项研究成果已经发表在2011年6月30日的《自然》期刊上。据国外媒体报道，近日，天文学家研究了欧洲南方天文台甚大望远镜和欧洲空间局牛顿-XMM空间天文台的数据后，发现了一个令人惊奇的结果：宇宙空间中大部分星系的中央超大质量黑洞在过去的110亿年里并不会因星系间的碰撞而被激活，也就是说，星系间的合并对中央超大质量黑洞的“活性”并没有太大的关联，而此前我们则认为这两者是密切联系的。相关的结果已经发表在《天体物理学杂志》上。据国外媒体报道，英国和加拿大的天文学家研究后认为，部分黑洞可承受的压力和收缩力要远高于此前的估值，也远高于宇宙的收缩力。这就意味着，即便宇宙消失，部分黑洞仍能正常保存下来。我们的宇宙形成于140亿年前的大爆炸之后，如果部分黑洞承受的压力和收缩力大于宇宙，那么这些黑洞有可能在宇宙出现或大爆炸发生之前就已存在。据国外媒体报道，宇宙中的黑洞是极为神秘的，由一定质量的恒星发生引力坍缩而形成的致密天体，通常都会进行旋转，而有的时候是两个黑洞相互围绕着旋转，这种情况下各种宇宙物理环境就显得非常地复杂，而且天文学家发现黑洞也存在侧向移动并有可能穿过其所在的星系。就这个问题，据位于美国犹太州的杨百翰大学天体物理学家研究成果：存在这种运动方式的黑洞会发射出极为强大的能量喷射流，而其也可能是宇宙中最大且最亮的类星体，就像一台强大的宇宙发电机。六、我认为-5-有关黑洞，各方仍然在激烈的争论中，无论最终的结果如何，这样的争论和研究本身就已经超过了其研究的成果的意义和价值。任何一个科学学说或者成果的确立都必将经历这样一个争论甚至争吵的阶段。相信，通过对黑洞这个神奇而且神秘的事物的研究，可以很大的程度的提高科学在社会生活中的影响力。让我们拭目以待，期待黑洞研究取得更新更有价值的成果。参考文献：1、百度百科名片——《人工黑洞》。2、腾讯科技新闻——《星系中疯狂旋转的黑洞如同超级宇宙发电机》。3、腾讯科技新闻——《天文学家：部分黑洞或存在于宇宙诞生之前》。4、腾讯科技新闻——《神秘暗物质或激活星系中沉睡的恐怖巨型黑洞》。