贪婪的宇宙掠夺者(2) | 唐山科普在线唐山市科学技术协会主办

假如你跳进黑洞
如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢的牺牲自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？设想在第一艘飞船上的是一位“智能”机器人，在接近视界，即达到有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点（黑洞中心）时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度（见本刊2000年第7期《时间之谜》）。
这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限的红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进入能层，飞船将被拖入旋转的运动。
能层有一个令人惊奇的特性，正如英国数学家罗杰·彭罗塞（Roger Penrose）指出的那样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能量债务的人，当黑洞俘获这人物体时，黑洞的能量不是增多而是减少了，因为黑洞必须“偿还”它的猎特欠下的能量债务。

神奇的黑洞之旅
假如有魔法使一个宇航员能乘飞船安然无恙地钻到黑洞内部，那他就会给我们讲述许多惊人的事。由于场面是一个旋转着的黑洞，那他讲述的就可能是经过能层的情景，在那个区域中的一切运动都按黑洞旋转方向转动。钻到这个地区后，飞船也可能会不停地上下升降，从这个区域进进出出。当然这要有足够的燃料。
如果我们倔强的宇航员决心再往前走，一直钻到被称为视界的第二个界面，他会发现，在某些条件下，由于极强的离心力，飞船会留在那里永远旋转而不再下沉，但也没有出来的可能性。这一情形类似露天游乐场转动的大圆筒，它把人挤压在筒壁上，只要圆筒一直旋转人就无法移动。
黑洞本身就是一个神秘的物体，它像一台失控的计算机，可以吞下任何信息同时又能把掉进去的任何东西的内容毁坏。我们能收集到的有关黑洞的物理特性只有三个，即质量、角动量和电荷。其余则是一堆无用的信息，它们对弄清黑洞内部的物质特性毫于帮助。在奇点，即黑洞中心密度无限大的点上，爱因斯坦的广义相对论和由此而推导的时空定律将全部失效，不再具有“公民”的权利。
但是伟大的黑洞理论家、英国天体物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）以巧妙的脱身之计在视界找到了关于黑洞胃口的宝贵信息。黑洞吸进的物质越多就越增加它的质量，越扩大它的视界。这是一个如此快速的能量交换场面，连大自然都难以察觉。
和不转动的施瓦西黑洞相比，转动的克尔黑洞的内部结构要复杂得多。它的奇点是一个平躺在赤道面上的圆环，而不再是一个点。如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域，那里有一个白洞，它像一个弹射器，能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界，即另一个宇宙中。另外，在克尔黑洞的真实视界以内还有着第二个视界（内视界）。这个球形面包围并“保护”着圆环状的奇点，内、外视界间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。

令人向往的宇宙生态城
转动的黑洞有一个非常有趣的特性，这就是著名的彭罗塞过程。彭罗塞于1969年指出，在能层中，当物质粒子的转动方向与黑洞相反时，粒子的能量相对于无穷远是负值。如果一个粒子从远处落入能层，并在能层中分裂成一个与黑洞转动方向相反，另一个方向相同的两个粒子，那么当转动方向相同的粒子离开能层，飞离黑洞，而另一个落入黑洞视界时，飞离黑洞的粒子能量将大于原来的粒子。
利用能层的这一特性，希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗（Demetrios Dhristodoulou）想出一个很巧妙的方法从黑洞中撮能量。这就是向能层投物质，一部分物质被视界吸入后获得负能，另一部分则装载宝贵的能量被发射出来，这些能量比原来物质所积聚的少量能要多得多，特别是没有废料的问题。
具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的钢性骨架，当然要离黑洞足够远，以避免过大的潮汐力的作用。然后在这个骨加相建设一座工业城市，将每天数百万吨垃圾收集起来，装上小车，倾入黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层并到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的与黑洞转动方向相反的轨道上。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减小了转动速度，与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转子回收，释放出大量的转动能。这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。由每辆小车的回收所净得的能量等于抛出垃圾的质量能量再加上黑洞本身质量能量的一部分。
这确是一个聪明的方案，城市居民不仅把垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了黑洞的一部分能量。不过每次倒进和回收的操作会使黑洞旋转速度放慢，最后理想城市的创意者就将这个环形城市像陀螺一样转到另一个新黑洞的周围，继续同样的过程。这的确是一个令人向往的生态城市。
实际上，彭罗塞过程不只是一种趣谈。黑洞转动能量的提取，有可能已经在自然的天体物理条件下，正通过一个适当分布的外部磁场而实际发生着。

不同宇宙间的走廊
黑洞这个贪吃的掠夺者不再把物质归还到我们的宇宙，而是在它们内部深深地隐藏了起来，不让我们看到。但纯理论研究却显示黑洞存在一个完全相反的对立面：白洞。这是一块任何物质都绝对进不去的领地，但却可从里面出来。人们假设在白洞和黑洞间有被称为虫洞的隧道相互连接。物质从白洞的奇点跳出来，在白洞奇点物理定律不管用了，因果关系也不见了，以致在这一区域物质形态也不存在了。
但是，彭罗塞确定，如果黑洞奇点的存在是由于它是我们的宇宙的组成部分，那么白洞奇点既不能因我们的宇宙而存在，也不能单独存在，这就是“宇宙监督”假说。正是这个假说否定了我们宇宙间存在白洞的可能。
因此白洞的祖国就转移到别的地方，让我们看看是怎么回事。在宇宙起源时突然膨胀的时代可能形成了许多隧道，像蛀虫钻孔一样，故称为“虫洞”。根据惠勒的看法，这些隧道把黑洞视界的内部区域和白洞视界的内部区域连接起来而没有奇点，这样虫洞就成为空心管道，就可能将从黑洞吸进的物质通过空心管道再从白洞排出。物质所作的旅行可以被看作从它熟悉的宇宙出发，掉进一个有去无回的洞中，但却在完全陌生的、不同的宇宙中获得新生。

黑洞间可以相互联姻
现在，进入黑洞的是恒星尘埃、气体、光、有机器人宇航员的宇宙飞船以及待转换成能量的垃圾。不管怎样，被俘获的物质只会增加黑洞本身的质量，同时也扩大它的半径和表面。如果质量增加一倍，半径也增加一倍，而视界的面积则增加四倍。那它是否会永远增加下去呢？霍金首先做了一个断然的回答：既然证实黑洞不会再缩小，那它就会继续无限地增大。由于是延续的所以增大是逐步的。不过有一个特殊情况，那就是两个黑洞可能相互接触和碰撞，在互相吸引的过程中一个黑洞进入另一个黑洞，两个黑洞变成一个单一黑洞，而这两上黑洞的全部组成要素被保留下来。更大的单一黑洞又可能与另一个黑洞相撞等等，这样就产一质量和体积更大的黑洞。
人们认为，在相撞的过程中，大约有千分之一的黑洞静能释放出来，以引力波形式向宇宙空间散发，速度和光一样，它的面积不断扩大，黑洞的熵也增大。就是说内部“混乱”在增长，即有关吸入物质的信息无法使用，也无法补救，好像一台计算机偶然把刚写好文章的字母弄乱一样。因此黑洞中只能传出描述它的三个信息：质量、角动量（指黑洞的转动）和电荷。惠勒把这种信息比作秃子头上只有三根头发，我们不可能了解掉进去的物质是什么。在这三种信息的基础上可以对黑洞进行划分：没有角动量也不带电荷的施瓦西黑洞，它具有“奇点”和“视界”的特性；具有角动量但不带电荷的克尔黑洞；以及具有角动量并带电荷的黑洞。此外，还可以从黑洞的起源进行区分。但最新的分类是依靠“颜色”。这看来好像有点荒唐，内部不射出一束光线的黑洞怎么可以是彩色的呢？实际上，这里所说的颜色不是通常的红、蓝、绿等光的颜色，而是用来区分夸克的不同状态“色”（见本刊2000年第9期《寻找上帝的粒子》）。夸克是组成质子和中子的更小的基本粒子。对我们的天体物理学家来说，在追踪无限小到无限大，又从无限大到无限小的过程中收集黑洞的不同“颜色”的追逐开始了。

黑洞最后的命运：大爆炸
在黑洞不断增大的假设中，黑洞的生命永远不会停止。但有一个预示性的停止正是由同一位霍金做出的，他把黑洞比作一个不断充气的气球。1976年，霍金在《自然》杂志上发表文章指出，黑洞会不断蒸发直到最后爆炸而消失。
今天这种理论已被普遍认同。人们认为有可能“看到”黑洞的最后的闪烁，就是能从高能电磁波中观测到的黑洞最后爆炸时发射的Y射线。
黑洞总是贪吃的，它们的终结正是由于狼吞虎咽地吃了某种消化不了的东西：带“负能”的粒子。带负能的粒子与提供正能的粒子一起来源于能层，但那些提供正能的粒子被推到了黑洞外面，而黑洞则吞下了带负能的粒子，这样它们就不得不用消耗自己能量的代价来弥补债务。因此黑洞的质量减少了，并开始了一个不断蒸发的过程。黑洞越来越小，越来越热，它的能量在空间消失，最后这个老掠夺者就爆炸和消失了。
黑洞的大小不同，蒸发程度也不相同。
现在我们换个话题，不谈从恒星坍缩产生的黑洞。科学家认为，大爆炸后立即产生出宇宙，那时形成了许多极小的黑洞：它们大小像一个质子但重量达亿万吨。质量巨大和温度极高的微型黑洞正是蒸发现象的理想发生地。
现在，这些微型黑洞多数已经消失了，但另外一些爆炸正在发生之中。据天体物理学家说，有可能利用一个正在蒸发的微型黑洞来代替我们的太阳。这个微型黑洞的质量为月球质量的1/1000，但直径只有0.0005毫米。
这样一个微型黑洞的温度为几千度，接近太阳表面温度，而且持续辐射能量的时间长达10 34年，如果和已知的宇宙年龄150亿年相比，时间是足够长了，如果和太阳100亿年的寿命相比，更可以说是一个永久性能源了。

开放与封闭的宇宙
被视为天空灯塔的类星体，是与恒星相似的光源，但却远在几十亿光年之外。典型的类星体虽然比任何的银河系都小，但它却能散发出巨大的能量，比银河全部恒星发射的能量还多200倍。现在认为类星体只是一个黑洞，它的质量比太阳质量大几亿倍，而且在不断吸收物质，不断长大，并在周围引起粒子的喷射。惠勒认为，类星体是活跃黑洞的物理特性最为壮观的表现。
在宇宙的进化中，黑洞的作用是不相同的。根据爱因斯坦的广义相对论，对目前膨胀中的宇宙存在两种可能的命运。如果物质密度超过一定限度，称为临界密度，宇宙就停止膨胀并开始收缩；这是封闭宇宙的场面。如果没有达到临界密度，继续膨胀，我们面对的是一个开放的宇宙。
在封闭的宇宙中，黑洞不断吸收物质并且不断地增大。由于它们越变越大，因此就能找到更近的物质，之后与其他黑洞相撞产生更大的黑洞。最后把宇宙中的物体都吸进去，宇宙中只剩下它们自己。甚至可以说宇宙像是惟五的一个黑洞。但实际上，封闭的宇宙有一定的年龄，到一定时期就开始收缩，在宇宙成为单一的黑洞之前，封闭的宇宙就会因收缩而毁灭。
在开放的宇宙中，膨胀在无限制地继续着，由于物质不断散失和离开，黑洞间相撞的可能性也日益减少。这个掠夺者的命运只能是在蒸发现象中毁掉。时间呢？长极了。一个黑洞全部蒸发所需的时间是与其质量的三次方成正比。一个质量与太阳相同的黑洞，它消失的时间将是目前宇宙年龄的1054倍。
但对各星系中心的最大的那些黑洞来说，它们在无限膨胀的宇宙中都将全部蒸发。最终留下来的是一个稀薄的、温度接近绝对零度的宇宙，而残存焉的只有质量为零的粒子，如中微子和光子。

具有“神奇魔力”的石头
在1000多年以前，维琴高人在没有任何导航工具，天空又常常是阴云密布的情况下，穿越了极地冰冷的海洋，万里跋涉到达美洲。传说他们是借助于魔法远行的，但现在看来，他们可能得到科学的引导。
历史传说
有多方面的消息和资料称，在公元980年，即在哥伦布发现美洲之前400多年，维琴高人的航船就到达了北美洲的沿海地区。这艘船是由埃里克·罗索（EricilRosso）率领的，它从挪威的卑尔根出发，首先到达冰岛，然后抵达格陵兰，最后到达加拿大的拉布拉多美洲大陆沿海。在这个高纬度地区，天空总是阴沉沉的，能见度极低。白天，太阳藏在云雾的后面，夜晚也看不见星星。那个年代没有任何能帮助人辩明方向的工具和手段，但根据传说，这些北方人在长途旅行中，有一种魔力无穷的神奇工具为他们导航，这就是太阳石。
科学的解释
维琴高人于公元982年到达格陵兰，据一些史学家说，他们甚至到达了北美洲沿海。当时他们手中无任何导航工具。事实上，在这之后很多年，即1044年左右，才由中国人发明了指南针。但维琴高人究竟是如何到达美洲大陆沿海的呢？1967年丹麦考古学家托基尔·拉姆斯考（Thorkild Ramsko）对此做出了解释，现在这一理论又引起了学者们的注意。根据拉姆斯考的解释，古代北方人是不知不觉地利用了一种矿石的物理特性。拉姆斯考认为，在很多故事中作为神奇的导航者出现的著名太阳石不是别的，而是一种叫堇青石的矿石晶体。这是一种具有双折射和二向色性的矿石，也就是说它能有选择地吸收光辐射。当光线通过堇青石时，由于在一些特殊的晶面上对不同光线偏振光的吸收不同，透过堇青石的光就会改变颜色，从紫色、蓝色一直到黄色，按照这些不同的平面就可以追溯到光源所在的位置。许多科学家认为，维琴高人曾经拥有这种矿石，他们将其指向天空就能够知道太阳的位置，从而辨别出方向来。当光源（这里是太阳）受到遮蔽（如云层）时，会发生偏振光现象。由于高纬度地区常常是阴天，此外在这些地区太阳长时间地处在接近地平线的地方，因此太阳光发生偏振的现象就更为明显。其原因就在于射向地球的光线的入射角大和太阳光通过的大气层的厚度大。甚至当太阳已经落山，但阳光还照射着大气层的时候这种现象依然存在。堇青石晶体也能够据透射偏振光的颜色找到太阳的方向。另一个有利于拉姆斯考理论的证据是，挪威的堇青石矿藏非常丰富，因此维琴高人能很容易地获得这种矿石，不过由于他们不了解这种矿石的物理特性，所以理所当然的就将它归功于一种神奇的魔力。