黑洞是密度超大的星球,吸納一切,光也逃不了.(現(xiàn)在有科學(xué)家分析,宇宙中不存在黑洞,這需要進(jìn)一步的證明,但是我們在學(xué)術(shù)上可以存在不同的意見)
補(bǔ)注：在空間體積為無限?。烧J(rèn)為是0）而注入質(zhì)量接近無限大的狀況下,場無限強(qiáng)化的情況下黑洞真的還有實(shí)體存在嗎?
或物質(zhì)的最終結(jié)局不是化為能量而是成為無限的場?
首先,對黑洞進(jìn)行一下形象的說明:

黑洞有巨大的引力,連光都被它吸引.黑洞中隱匿著巨大的引力場,這種引力大到任何東西,甚至連光,都難逃黑洞的手掌心.黑洞不讓任何其邊界以內(nèi)的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故.我們無法通過光的反射來觀察它,只能通過受其影響的周圍物體來間接了解黑洞.據(jù)猜測,黑洞是死亡恒星或爆炸氣團(tuán)的剩余物,是在特殊的大質(zhì)量超巨星坍塌收縮時產(chǎn)生的.
再從物理學(xué)觀點(diǎn)來解釋一下:
黑洞其實(shí)也是個星球(類似星球),只不過它的密度非常非常大, 靠近它的物體都被它的引力所約束(就好像人在地球上沒有飛走一樣),不管用多大的速度都無法脫離.對于地球來說,以第二宇宙速度（11.2km/s）來飛行就可以逃離地球,但是對于黑洞來說,它的第二宇宙速度之大,竟然超越了光速,所以連光都跑不出來,于是射進(jìn)去的光沒有反射回來,我們的眼睛就看不到任何東西,只是黑色一片.
因?yàn)楹诙词遣豢梢姷?所以有人一直置疑,黑洞是否真的存在.如果真的存在,它們到底在哪里?
黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發(fā)生強(qiáng)力爆炸.當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實(shí)的星球.但在黑洞情況下,由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質(zhì).任何靠近它的物體都會被它吸進(jìn)去,黑洞就變得像真空吸塵器一樣
為了理解黑洞的動力學(xué)和理解它們是怎樣使內(nèi)部的所有事物逃不出邊界,我們需要討論廣義相對論.廣義相對論是愛因斯坦創(chuàng)建的引力學(xué)說,適用于行星、恒星,也適用于黑洞.愛因斯坦在1916年提出來的這一學(xué)說,說明空間和時間是怎樣因大質(zhì)量物體的存在而發(fā)生畸變.簡言之,廣義相對論說物質(zhì)彎曲了空間,而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運(yùn)動.
讓我們看一看愛因斯坦的模型是怎樣工作的.首先,考慮時間（空間的三維是長、寬、高）是現(xiàn)實(shí)世界中的第四維（雖然難于在平常的三個方向之外再畫出一個方向,但我們可以盡力去想象）.其次,考慮時空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面.
愛因斯坦的學(xué)說認(rèn)為質(zhì)量使時空彎曲.我們不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景：石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些,雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的,但其中央仍稍有下凹.如果在彈簧床中央放置更多的石塊,則將產(chǎn)生更大的效果,使床面下沉得更多.事實(shí)上,石頭越多,彈簧床面彎曲得越厲害.
同樣的道理,宇宙中的大質(zhì)量物體會使宇宙結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變.正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣,質(zhì)量比太陽大得多的天體比等于或小于一個太陽質(zhì)量的天體使空間彎曲得厲害得多.
如果一個網(wǎng)球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動,它將沿直線前進(jìn).反之,如果它經(jīng)過一個下凹的地方 ,則它的路徑呈弧形.同理,天體穿行時空的平坦區(qū)域時繼續(xù)沿直線前進(jìn),而那些穿越彎曲區(qū)域的天體將沿彎曲的軌跡前進(jìn).
現(xiàn)在再來看看黑洞對于其周圍的時空區(qū)域的影響.設(shè)想在彈簧床面上放置一塊質(zhì)量非常大的石頭代表密度極大的黑洞.自然,石頭將大大地影響床面,不僅會使其表面彎曲下陷,還可能使床面發(fā)生斷裂.類似的情形同樣可以宇宙出現(xiàn),若宇宙中存在黑洞,則該處的宇宙結(jié)構(gòu)將被撕裂.這種時空結(jié)構(gòu)的破裂叫做時空的奇異性或奇點(diǎn).
現(xiàn)在我們來看看為什么任何東西都不能從黑洞逃逸出去.正如一個滾過彈簧床面的網(wǎng)球,會掉進(jìn)大石頭形成的深洞一樣,一個經(jīng)過黑洞的物體也會被其引力陷阱所捕獲.而且,若要挽救運(yùn)氣不佳的物體需要無窮大的能量.
我們已經(jīng)說過,沒有任何能進(jìn)入黑洞而再逃離它的東西.但科學(xué)家認(rèn)為黑洞會緩慢地釋放其能量.著名的英國物理學(xué)家霍金在1974年證明黑洞有一個不為零的溫度,有一個比其周圍環(huán)境要高一些的溫度.依照物理學(xué)原理,一切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量,同樣黑洞也不例外.一個黑洞會持續(xù)幾百萬萬億年散發(fā)能量,黑洞釋放能量稱為：霍金輻射.黑洞散盡所有能量就會消失.
處于時間與空間之間的黑洞,使時間放慢腳步,使空間變得有彈性,同時吞進(jìn)所有經(jīng)過它的一切.1969年,美國物理學(xué)家約翰 阿提 惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”.
我們都知道因?yàn)楹诙床荒芊瓷涔?所以看不見.在我們的腦海中黑洞可能是遙遠(yuǎn)而又漆黑的.但英國著名物理學(xué)家霍金認(rèn)為黑洞并不如大多數(shù)人想象中那樣黑.通過科學(xué)家的觀測,黑洞周圍存在輻射,而且很可能來自于黑洞,也就是說,黑洞可能并沒有想象中那樣黑.霍金指出黑洞的放射性物質(zhì)來源是一種實(shí)粒子,這些粒子在太空中成對產(chǎn)生,不遵從通常的物理定律.而且這些粒子發(fā)生碰撞后,有的就會消失在茫茫太空中.一般說來,可能直到這些粒子消失時,我們都未曾有機(jī)會看到它們.
霍金還指出,黑洞產(chǎn)生的同時,實(shí)粒子就會相應(yīng)成對出現(xiàn).其中一個實(shí)粒子會被吸進(jìn)黑洞中,另一個則會逃逸,一束逃逸的實(shí)粒子看起來就像光子一樣.對觀察者而言,看到逃逸的實(shí)粒子就感覺是看到來自黑洞中的射線一樣.
所以,引用霍金的話就是“黑洞并沒有想象中的那樣黑”,它實(shí)際上還發(fā)散出大量的光子.
根據(jù)愛因斯坦的能量與質(zhì)量守恒定律.當(dāng)物體失去能量時,同時也會失去質(zhì)量.黑洞同樣遵從能量與質(zhì)量守恒定律,當(dāng)黑洞失去能量時,黑洞也就不存在了.霍金預(yù)言,黑洞消失的一瞬間會產(chǎn)生劇烈的爆炸,釋放出的能量相當(dāng)于數(shù)百萬顆氫彈的能量.
但你不要滿懷期望地抬起頭,以為會看到一場煙花表演.事實(shí)上,黑洞爆炸后,釋放的能量非常大,很有可能對身體是有害的.而且,能量釋放的時間也非常長,有的會超過100億至200億年,比我們宇宙的歷史還長,而徹底散盡能量則需要數(shù)萬億年的時間
“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”,其實(shí)不然.所謂“黑洞”,就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強(qiáng),就連光也不能逃脫出來.
根據(jù)廣義相對論,引力場將使時空彎曲.當(dāng)恒星的體積很大時,它的引力場對時空幾乎沒什么影響,從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出.而恒星的半徑越小,它對周圍的時空彎曲作用就越大,朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面.
等恒星的半徑小于一特定值（天文學(xué)上叫“施瓦西半徑”）時,就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了.到這時,恒星就變成了黑洞.說它“黑”,是指任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去,就再不能逃出,包括光.實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的,等一會兒我們會講到.
黑洞的形成
跟白矮星和中子星一樣,黑洞很可能也是由恒星演化而來的.
當(dāng)一顆恒星衰老時,它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫）,由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了.這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量.所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,直到最后形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡.
質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星,質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星.而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算,中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量.如果超過了這個值,那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了,從而引發(fā)另一次大坍縮.
這次,根據(jù)科學(xué)家的猜想,物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍,直至成為一個體積很小、密度趨向很大.而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑),正象我們上面介紹的那樣,巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了.
特殊的黑洞
與別的天體相比,黑洞是顯得太特殊了.例如,黑洞有“隱身術(shù)”,人們無法直接觀察到它,連科學(xué)家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想.那么,黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢?答案就是——彎曲的空間.我們都知道,光是沿直線傳播的.這是一個最基本的常識.可是根據(jù)廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲.這時候,光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播,但走的已經(jīng)不是直線,而是曲線.形象地講,好像光本來是要走直線的,只不過強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來的方向.
在地球上,由于引力場作用很小,這種彎曲是微乎其微的.而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大.這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球.所以,我們可以毫不費(fèi)力地觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術(shù).
更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球,它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球.這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”,還同時看到它的側(cè)面、甚至后背!
“黑洞”無疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動的天文學(xué)說之一.許多科學(xué)家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著,新的理論也不斷地提出.不過,這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的.有興趣的朋友可以去參考專門的論著.
按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類.一是暗能量黑洞,二是物理黑洞.暗能量黑洞主要由高速旋轉(zhuǎn)的巨大的暗能量組成,它內(nèi)部沒有巨大的質(zhì)量.巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉(zhuǎn),其內(nèi)部產(chǎn)生巨大的負(fù)壓以吞噬物體,從而形成黑洞,詳情請看宇“宙黑洞論”.暗能量黑洞是星系形成的基礎(chǔ),也是星團(tuán)、星系團(tuán)形成的基礎(chǔ).物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成,具有巨大的質(zhì)量.當(dāng)一個物理黑洞的質(zhì)量等于或大于一個星系的質(zhì)量時,我們稱之為奇點(diǎn)黑洞.暗能量黑洞的體積很大,可以有太陽系那般大.但物理黑洞的體積卻非常小,它可以縮小到一個奇點(diǎn).
黑洞吸積
黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的,這一過程被稱為吸積.高溫氣體輻射熱能的效率會嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動力學(xué)特性.目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤.當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時,它們產(chǎn)生的輻射對黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感.對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù).數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動的.
天體物理學(xué)家用“吸積”這個詞來描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動.吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見的結(jié)構(gòu).在宇宙早期,當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢阱中心流動時形成了星系.即使到了今天,恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂,進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的.行星——包括地球——也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的.但是當(dāng)中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現(xiàn)出它最為壯觀的一面.
然而黑洞并不是什么都吸收的,它也往外邊散發(fā)質(zhì)子.
爆炸的黑洞
黑洞會發(fā)出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至?xí)?當(dāng)英國物理學(xué)家史迪芬·霍金于1974年做此語言時,整個科學(xué)界為之震動.黑洞曾被認(rèn)為是宇宙最終的沉淀所：沒有什么可以逃出黑洞,它們吞噬了氣體和星體,質(zhì)量增大,因而洞的體積只會增大,霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍,他結(jié)合了廣義相對論和量子理論.他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質(zhì)量,這種“霍金輻射”對大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計(jì),而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸.
奇妙的萎縮的黑洞
當(dāng)一個粒子從黑洞逃逸而沒有償還它借來的能量,黑洞就會從它的引力場中喪失同樣數(shù)量的能量,而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導(dǎo)致質(zhì)量的損失.因此,黑洞將變輕變小.
沸騰直至毀滅
所有的黑洞都會蒸發(fā),只不過大的黑洞沸騰得較慢,它們的輻射非常微弱,因此另人難以覺察.但是隨著黑洞逐漸變小,這個過程會加速,以至最終失控.黑洞委瑣時,引力并也會變陡,產(chǎn)生更多的逃逸粒子,從黑洞中掠奪的能量和質(zhì)量也就越多.黑洞委瑣的越來越快,促使蒸發(fā)的速度變得越來越快,周圍的光環(huán)變得更亮、更熱,當(dāng)溫度達(dá)到10^15℃時,黑洞就會在爆炸中毀滅.
關(guān)于黑洞的文章：
自古以來,人類便一直夢想飛上藍(lán)天,可沒人知道在湛藍(lán)的天幕之外還有一個碩大的黑色空間.在這個空間有光,有水,有生命.我們美麗的地球也是其中的一員.雖然宇宙是如此絢爛多彩,但在這里也同樣是危機(jī)四伏的.小行星,紅巨星,超新星大爆炸,黑洞……

黑洞,顧名思義就是看不見的具有超強(qiáng)吸引力的物質(zhì).自從愛因斯坦和霍金通過猜測并進(jìn)行理論推導(dǎo)出有這樣一種物質(zhì)之后,科學(xué)家們就在不斷的探尋,求索,以避免我們的星球被毀滅.

黑洞與地球毀滅的關(guān)系

黑洞,實(shí)際上是一團(tuán)質(zhì)量很大的物質(zhì),其引力極大（仡今為止還未發(fā)現(xiàn)有比它引力更大的物質(zhì)）,形成一個深井.它是由質(zhì)量和密度極大的恒星不斷坍縮而形成的,當(dāng)恒星內(nèi)部的物質(zhì)核心發(fā)生極不穩(wěn)定變化之后會形成一個稱為“奇點(diǎn)”的孤立點(diǎn)（有關(guān)細(xì)節(jié)請查閱愛因斯坦的廣義相對論）.他會將一切進(jìn)入視界的物質(zhì)吸入,任何東西不能從那里逃脫出來（包括光）.他沒有具體形狀,也無法看見它,只能根據(jù)周圍行星的走向來判斷它的存在.也許你會因?yàn)樗纳衩啬獪y而嚇的大叫起來,但實(shí)際上根本用不著過分擔(dān)心,雖然它有強(qiáng)大的吸引力但與此同時這也是判斷它位置的一個重要證據(jù),就算它對距地球極近的物質(zhì)產(chǎn)生影響時,我們也還有足夠的時間挽救,因?yàn)槟菚r它的“正式邊界”還離我們很遠(yuǎn).況且,恒星坍縮后大部分都會成為中子星或白矮星.但這并不意味著我們就可以放松警惕了（誰知道下一刻被吸入的會不會是我們呢?）,這也是人類研究它的原因之一.
恒星,白矮星,中子星,夸克星,黑洞是依次的五個密度當(dāng)量星體,密度最小的當(dāng)然是恒星,黑洞是物質(zhì)的終極形態(tài),黑洞之后就會發(fā)生宇宙大爆炸,能量釋放出去后,又進(jìn)入一個新的循環(huán).
另外黑洞在網(wǎng)絡(luò)中指電子郵件消息丟失或Usenet公告消失的地方.
黑洞名稱的提出
黑洞這一術(shù)語是不久以前才出現(xiàn)的.它是1969年美國科學(xué)家約翰·惠勒為形象描述至少可回溯到200年前的這個思想時所杜撰的名字.那時候,共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動說.我們現(xiàn)在知道,實(shí)際上這兩者都是正確的.由于量子力學(xué)的波粒二象性,光既可認(rèn)為是波,也可認(rèn)為是粒子.在光的波動說中,不清楚光對引力如何響應(yīng).但是如果光是由粒子組成的,人們可以預(yù)料,它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響.起先人們以為,光粒子無限快地運(yùn)動,所以引力不可能使之慢下來,但是羅麥關(guān)于光速度有限的發(fā)現(xiàn)表明引力對之可有重要效應(yīng).
1783年,劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在這個假定的基礎(chǔ)上,在《倫敦皇家學(xué)會哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章.他指出,一個質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會有如此強(qiáng)大的引力場,以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光,還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會被恒星的引力吸引回來.米歇爾暗示,可能存在大量這樣的恒星,雖然會由于從它們那里發(fā)出的光不會到達(dá)我們這兒而使我們不能看到它們,但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔?這正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體.它是名符其實(shí)的——在空間中的黑的空洞.幾年之后,法國科學(xué)家拉普拉斯侯爵顯然獨(dú)自提出和米歇爾類似的觀念.非常有趣的是,拉普拉斯只將此觀點(diǎn)納入他的《世界系統(tǒng)》一書的第一版和第二版中,而在以后的版本中將其刪去,可能他認(rèn)為這是一個愚蠢的觀念.（此外,光的微粒說在19紀(jì)變得不時髦了；似乎一切都可以以波動理論來解釋,而按照波動理論,不清楚光究竟是否受到引力的影響.）
事實(shí)上,因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ?所以,在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理實(shí)在很不協(xié)調(diào).（從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速,最后停止上升并折回地面；然而,一個光子必須以不變的速度繼續(xù)向上,那么牛頓引力對于光如何發(fā)生影響呢?）直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前,一直沒有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)的理論.甚至又過了很長時間,這個理論對大質(zhì)量恒星的含意才被理解.
為了理解黑洞是如何形成的,我們首先需要理解一個恒星的生命周期.起初,大量的氣體（大部分為氫）受自身的引力吸引,而開始向自身坍縮而形成恒星.當(dāng)它收縮時,氣體原子相互越來越頻繁地以越來越大的速度碰撞——?dú)怏w的溫度上升.最后,氣體變得如此之熱,以至于當(dāng)氫原子碰撞時,它們不再彈開而是聚合形成氦.如同一個受控氫彈爆炸,反應(yīng)中釋放出來的熱使得恒星發(fā)光.這增添的熱又使氣體的壓力升高,直到它足以平衡引力的吸引,這時氣體停止收縮.這有一點(diǎn)像氣球——內(nèi)部氣壓試圖使氣球膨脹,橡皮的張力試圖使氣球縮小,它們之間存在一個平衡.從核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力吸引的平衡,使恒星在很長時間內(nèi)維持這種平衡.然而,最終恒星會耗盡了它的氫和其他核燃料.貌似大謬,其實(shí)不然的是,恒星初始的燃料越多,它則燃盡得越快.這是因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量越大,它就必須越熱才足以抵抗引力.而它越熱,它的燃料就被用得越快.我們的太陽大概足夠再燃燒50多億年,但是質(zhì)量更大的恒星可以在1億年這么短的時間內(nèi)用盡其燃料, 這個時間尺度比宇宙的年齡短得多了.當(dāng)恒星耗盡了燃料,它開始變冷并開始收縮.隨后發(fā)生的情況只有等到本世紀(jì)20年代末才初次被人們理解.
1928年,一位印度研究生——薩拉瑪尼安·強(qiáng)德拉塞卡——乘船來英國劍橋跟英國天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓爵士（一位廣義相對論家）學(xué)習(xí).（據(jù)記載,在本世紀(jì)20年代初有一位記者告訴愛丁頓,說他聽說世界上只有三個人能理解廣義相對論,愛丁頓停了一下,然后回答：“我正在想這第三個人是誰”.）在他從印度來英的旅途中,強(qiáng)德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之后,多大的恒星可以繼續(xù)對抗自己的引力而維持自己.這個思想是說：當(dāng)恒星變小時,物質(zhì)粒子靠得非常近,而按照泡利不相容原理,它們必須有非常不同的速度.這使得它們互相散開并企圖使恒星膨脹.一顆恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力達(dá)到平衡而保持其半徑不變,正如在它的生命的早期引力被熱所平衡一樣.
然而,強(qiáng)德拉塞卡意識到,不相容原理所能提供的排斥力有一個極限.恒星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速.這意味著,恒星變得足夠緊致之時,由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小.強(qiáng)德拉塞卡計(jì)算出；一個大約為太陽質(zhì)量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力.（這質(zhì)量現(xiàn)在稱為強(qiáng)德拉塞卡極限.）蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·達(dá)維多維奇·蘭道幾乎在同時也得到了類似的發(fā)現(xiàn).
這對大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大的意義.如果一顆恒星的質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限小,它最后會停止收縮并終于變成一顆半徑為幾千英哩和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”.白矮星是它物質(zhì)中電子之間的不相容原理排斥力所支持的.我們觀察到大量這樣的白矮星.第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恒星——天狼星轉(zhuǎn)動的那一顆.
蘭道指出,對于恒星還存在另一可能的終態(tài).其極限質(zhì)量大約也為太陽質(zhì)量的一倍或二倍,但是其體積甚至比白矮星還小得多.這些恒星是由中子和質(zhì)子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持.所以它們被叫做中子星.它們的半徑只有10英哩左右,密度為每立方英寸幾億噸.在中子星被第一次預(yù)言時,并沒有任何方法去觀察它.實(shí)際上,很久以后它們才被觀察到.
另一方面,質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時,會出現(xiàn)一個很大的問題：在某種情形下,它們會爆炸或拋出足夠的物質(zhì),使自己的質(zhì)量減少到極限之下,以避免災(zāi)難性的引力坍縮.但是很難令人相信,不管恒星有多大,這總會發(fā)生.怎么知道它必須損失重量呢?即使每個恒星都設(shè)法失去足夠多的重量以避免坍縮,如果你把更多的質(zhì)量加在白矮星或中子星上,使之超過極限將會發(fā)生什么?它會坍縮到無限密度嗎?愛丁頓為此感到震驚,他拒絕相信強(qiáng)德拉塞卡的結(jié)果.愛丁頓認(rèn)為,一顆恒星不可能坍縮成一點(diǎn).這是大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)：愛因斯坦自己寫了一篇論文,宣布恒星的體積不會收縮為零.其他科學(xué)家,尤其是他以前的老師、恒星結(jié)構(gòu)的主要權(quán)威——愛丁頓的敵意使強(qiáng)德拉塞卡拋棄了這方面的工作,轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團(tuán)運(yùn)動等其他天文學(xué)問題.然而,他獲得1983年諾貝爾獎,至少部分原因在于他早年所做的關(guān)于冷恒星的質(zhì)量極限的工作.
強(qiáng)德拉塞卡指出,不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于強(qiáng)德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮.但是,根據(jù)廣義相對論,這樣的恒星會發(fā)生什么情況呢?這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默于1939年首次解決.然而,他所獲得的結(jié)果表明,用當(dāng)時的望遠(yuǎn)鏡去觀察不會再有任何結(jié)果.以后,因第二次世界大戰(zhàn)的干擾,奧本海默本人非常密切地卷入到原子彈計(jì)劃中去.戰(zhàn)后,由于大部分科學(xué)家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去,因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了.
現(xiàn)在,我們從奧本海默的工作中得到一幅這樣的圖象：恒星的引力場改變了光線的路徑,使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣.光錐是表示光線從其頂端發(fā)出后在空間——時間里傳播的軌道.光錐在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折,在日食時觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線,可以看到這種偏折現(xiàn)象.當(dāng)該恒星收縮時,其表面的引力場變得很強(qiáng),光線向內(nèi)偏折得更多,從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難.對于在遠(yuǎn)處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅.最后,當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑時,表面的引力場變得如此之強(qiáng),使得光錐向內(nèi)偏折得這么多,以至于光線再也逃逸不出去 .根據(jù)相對論,沒有東西會走得比光還快.這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被引力拉回去.也就是說,存在一個事件的集合或空間——時間區(qū)域,光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者.現(xiàn)在我們將這區(qū)域稱作黑洞,將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合.
當(dāng)你觀察一個恒星坍縮并形成黑洞時,為了理解你所看到的情況,切記在相對論中沒有絕對時間.每個觀測者都有自己的時間測量.由于恒星的引力場,在恒星上某人的時間將和在遠(yuǎn)處某人的時間不同.假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恒星一起向內(nèi)坍縮,按照他的表,每一秒鐘發(fā)一信號到一個繞著該恒星轉(zhuǎn)動的空間飛船上去.在他的表的某一時刻,譬如11點(diǎn)鐘,恒星剛好收縮到它的臨界半徑,此時引力場強(qiáng)到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去,他的信號再也不能傳到空間飛船了.當(dāng)11點(diǎn)到達(dá)時,他在空間飛船中的伙伴發(fā)現(xiàn),航天員發(fā)來的一串信號的時間間隔越變越長.但是這個效應(yīng)在10點(diǎn)59分59秒之前是非常微小的.在收到10點(diǎn)59分58秒和10點(diǎn)59分59秒發(fā)出的兩個信號之間,他們只需等待比一秒鐘稍長一點(diǎn)的時間,然而他們必須為11點(diǎn)發(fā)出的信號等待無限長的時間.按照航天員的手表,光波是在10點(diǎn)59分59秒和11點(diǎn)之間由恒星表面發(fā)出；從空間飛船上看,那光波被散開到無限長的時間間隔里.在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長,所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡,最后,該恒星變得如此之朦朧,以至于從空間飛船上再也看不見它,所余下的只是空間中的一個黑洞.然而,此恒星繼續(xù)以同樣的引力作用到空間飛船上,使飛船繼續(xù)繞著所形成的黑洞旋轉(zhuǎn).
但是由于以下的問題,使得上述情景不是完全現(xiàn)實(shí)的.你離開恒星越遠(yuǎn)則引力越弱,所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大.在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前,這力的差就已經(jīng)將我們的航天員拉成意大利面條那樣,甚至將他撕裂!然而,我們相信,在宇宙中存在質(zhì)量大得多的天體,譬如星系的中心區(qū)域,它們遭受到引力坍縮而產(chǎn)生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開.事實(shí)上,當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時,不會有任何異樣的感覺,甚至在通過永不回返的那一點(diǎn)時,都沒注意到.但是,隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮,只要在幾個鐘頭之內(nèi),作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大,以至于再將其撕裂.
羅杰·彭羅斯和我在1965年和1970年之間的研究指出,根據(jù)廣義相對論,在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點(diǎn).這和時間開端時的大爆炸相當(dāng)類似,只不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點(diǎn)而已.在此奇點(diǎn),科學(xué)定律和我們預(yù)言將來的能力都失效了.然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預(yù)見性失效的影響,因?yàn)閺钠纥c(diǎn)出發(fā)的不管是光還是任何其他信號都不能到達(dá)他那兒.這令人驚奇的事實(shí)導(dǎo)致羅杰·彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督猜測,它可以被意譯為：“上帝憎惡裸奇點(diǎn).”換言之,由引力坍縮所產(chǎn)生的奇點(diǎn)只能發(fā)生在像黑洞這樣的地方,在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見.嚴(yán)格地講,這是所謂弱的宇宙監(jiān)督猜測：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發(fā)生在奇點(diǎn)處的可預(yù)見性失效的影響,但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的