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(九)黑洞

  在用量子力学考虑大爆炸奇点之前,我们先看看另一个在广义相对论框架下的
奇点——黑洞。 
  
  我们都知道逃逸速度。星体所产生的引力场(和星体的质量及密度有关)越大,
从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到某个极限,使以光速运
动的物体也不能挣脱它的束缚而逃逸,那么我们将无法观察到这个星体,仅能感受
到它的引力效应。。这就是在200年前对黑洞的最初定义。 
  
  实际上,对于光不能象对待普通物体那样考虑,因为普通物体在上抛的过程中
速度逐渐变慢,并最终落回地面,而光是以不变的速率前进的。因此必须以广义相
对论的观点重新解释黑洞现象,也就是: 
  
  光由于强大的引力场造成的空间——时间扭曲,而被强烈地折弯并回到星体表面,
不能从其表面逃逸。 
  
  黑洞是一个空间——时间区域,它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离,
这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜,只允许物质穿过视界并落到黑洞
里去,但没有任何物质能够从里面出来! 
  
  那么黑洞是如何形成的呢?让我们先从恒星的生命周期说起。宇宙早期的星云
物质——绝大部分是氢的极其稀薄的气体——由于自身的引力作用而收缩成恒星。由于
收缩过程中气体原子相互碰撞的频率和速度越来越高,导致气体温度上升并最终使
恒星发光。当温度如此之高,以致于氢原子碰撞后不再离开而是聚合成氦,这被称
为“热核聚变”。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压力进一步升高,并达到足以
平衡恒星内部引力的程度,于是恒星的收缩停止下来,并在相当长的时间里稳定地
燃烧。当恒星耗尽了这些氢之后,由于核反应的减弱而开始变冷,恒星气体的压力
不足以抵抗自身引力的而导致恒星重新开始收缩。恒星中的氦元素发生聚变形成碳
或氧之类较重的元素。但这一过程并没有释放太多的能量,恒星继续收缩。 
  
  诺贝尔奖得主,印度裔美籍科学家强德拉塞卡在1928年指出,由于“泡利不相容
原理”(在同一轨道不存在两个运动状态完全相同的粒子)的作用,当恒星进一步缩
小时,物质粒子靠得非常近并且必须严格地遵守不相容原理,因而粒子之间发散的
趋势平衡了恒星自身的引力,使恒星不再缩小。如果这个不相容原理引起的排斥力
是电子间产生的,那么恒星将坍缩成为一颗半径为几千英里,密度为每立方英寸几
百吨的冷恒星——“白矮星”。科学家们已经观测到大量的白矮星。坍缩的另一种形式
为“中子星”——它上面的的电子早已被引力拉到质子上,因此这种恒星全部由中子组
成,并靠中子间不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以维持“体形”。它们的半径
只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。中子星同样已经为观测所证实。 
  
  强德拉塞卡同时计算出,当恒星质量大于太阳质量的一倍半时,即使不相容原
理也无法阻挡恒星的继续坍缩,恒星将无休止的收缩,直至体积为零!此时的物质
密度和空间——时间曲率将无穷大。所有的科学定律将在此失效。这就是我们前面所
提到的“黑洞奇点”。 
  
  事实上存在着这样一种情形:超过强德拉塞卡极限的恒星在耗尽自己的燃料时,
它们可能会在被称为“超新星爆发”的巨大爆炸中抛出大量的物质,使自己降到极限
质量之下从而避免坍缩。但这不可能总是发生,即使总是发生,那么如果将额外的
物质加在白矮星或中子星上,结果又将这样呢? 
  
  科学家们感到震惊,他们无法相信这一理论并对它怀有敌意。他们纷纷撰文试
图证明恒星的体积不会收缩到零,这其中也包括爱因斯坦。 
  
  但是,史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯于1965和1970年的研究指出,如果广义相对
论是正确的话,那么在黑洞中必然存在着无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这
个奇点和大爆炸类似,是一切事件的终结之处,科学定律可预见性都将失效。 
  
  我们用广义相对论来描述和理解一下黑洞。当恒星坍缩时,恒星发出的光波被
强烈的红移。当恒星收缩到它的临界半径时,它发出的引力场是如此之强,使得光
波被散开到无限长的时间间隔内。在黑洞外的观察者则会看到,恒星发出的光越来
越红,越来越淡,最终再也看不到这颗恒星了。这是一个名副其实的黑的“洞”! 
  
资料来源:网易 作者:徐冬松 
 
  
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