最近，一條消息又讓全世界物理學(xué)界為之沸騰，引力波再次被探測(cè)到了。引力波——這一緣起于宇宙間兩個(gè)黑洞黑吃黑“火拼”事件產(chǎn)生的強(qiáng)烈時(shí)空振蕩，再次被美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（英文簡(jiǎn)稱(chēng)LIGO）“逮個(gè)正著”。

 

這次重大事件的“始作俑者”黑洞，又一次向世人展示了其巨大能量和重要性。黑洞就是一個(gè)中心密度無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限高、體積無(wú)限小的奇點(diǎn)和周?chē)徊糠挚湛杖缫驳奶靺^(qū)。由于黑洞本身沒(méi)有任何輻射，所以我們不能直接觀測(cè)到它，但可借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響，最新的引力波發(fā)現(xiàn)正是如此。

 

俗話(huà)說(shuō)，“人紅是非多”。作為宇宙間大咖級(jí)“網(wǎng)紅”，關(guān)于黑洞的各種說(shuō)法不絕于耳。有鑒于此，美國(guó)商業(yè)內(nèi)幕（Business Insider）網(wǎng)站在最近的報(bào)道中，梳理了與黑洞有關(guān)的十大事實(shí)，以正視聽(tīng)。

 

黑洞的形成圖

 

 

一、愛(ài)因斯坦并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黑洞

 

依據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死恒星塌縮，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞。它會(huì)吞噬鄰近區(qū)域的所有光線(xiàn)和任何物質(zhì)，其超強(qiáng)引力使得連宇宙中跑得最快的光都逃不出它的“魔掌”，以至于沒(méi)有任何光線(xiàn)可以逃離，使原恒星所在區(qū)域變得異常黑暗，也就是所謂的黑洞。

盡管愛(ài)因斯坦建立了廣義相對(duì)論，但他并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黑洞的存在。而德國(guó)物理學(xué)家、天文學(xué)家卡爾·史瓦西則是使用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論方程證明黑洞的確能夠形成的第一人。

 

1915年11月25日，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，在天文與物理界掀起了軒然大波。此后不到兩個(gè)月，史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解—也就是“史瓦西半徑”，預(yù)言了黑洞的存在。

 

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋說(shuō)：“‘史瓦西半徑’是天體物理學(xué)的一個(gè)概念，講的是一個(gè)物體的半徑若小于（不含等于）其對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑時(shí)，便是黑洞。天體物理學(xué)研究認(rèn)為，銀河系中心最大黑洞的史瓦西半徑為780萬(wàn)公里；太陽(yáng)質(zhì)量對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑為3公里；而地球質(zhì)量對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑為9毫米”。

 

其實(shí)，此前的1783年，英國(guó)自然哲學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家約翰·邁克爾在給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的亨瑞·卡文迪許的一封信中，第一次提出了可能存在一種“暗星（Dark stars）”，相關(guān)內(nèi)容后來(lái)發(fā)表在皇家學(xué)會(huì)1784年會(huì)報(bào)上。邁克爾表示，這種“暗星”的密度很大且非常緊湊，這就使它們擁有連光都無(wú)法逃脫的巨大引力。1967年，這種“不可思議的天體”被美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇巴德·惠勒命名為“黑洞”。

 

 

二、理論上說(shuō)萬(wàn)物都能成黑洞

 

黑洞和我們的太陽(yáng)之間的唯一區(qū)別是，黑洞中央由超致密的物質(zhì)組成，這些物質(zhì)賦予黑洞強(qiáng)大的引力場(chǎng)。正是這一引力場(chǎng)吞噬一切事物，包括光在內(nèi)，這也是為什么我們無(wú)法看見(jiàn)黑洞的原因。

 

從理論上來(lái)說(shuō)，你能將萬(wàn)事萬(wàn)物變成一個(gè)黑洞。例如，如果你將我們的太陽(yáng)縮小到大約6千米寬，那么，你其實(shí)已經(jīng)將太陽(yáng)系內(nèi)所有質(zhì)量壓縮到一個(gè)非常小的空間內(nèi)，這就使太陽(yáng)變得非常致密，因此，也制造出一個(gè)黑洞。你能將同樣的理論應(yīng)用到我們身處的地球甚至你的身體。

 

但其實(shí)，人們公認(rèn)的一種制造黑洞的方式是：一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量20倍到30倍的超大質(zhì)量恒星的引力塌縮形成黑洞。

 

當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量再也無(wú)力對(duì)抗外殼巨大的重量。所以，在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體。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；而質(zhì)量更大的則塌縮形成一個(gè)致密的黑洞。

 

從理論上來(lái)說(shuō)，萬(wàn)物都可變成黑洞

 

三、黑洞并非“吸血鬼”

 

它是在時(shí)間和空間中形成的“洞”，不斷吸積著周?chē)奈镔|(zhì)，增加自己的質(zhì)量；還是光子的“牢籠”；它貪得無(wú)厭，永不停息地吞噬著周?chē)囊磺校@是世人繪制的黑洞的經(jīng)典圖像。

 

黑洞總是給人一種恐怖色彩的感覺(jué)，在很多新聞報(bào)道中，我們可以看到黑洞無(wú)情吞噬周?chē)镔|(zhì)甚至伴星的殘忍畫(huà)面。看起來(lái)黑洞好像將其周?chē)奈镔|(zhì)全部吸收，但這是一個(gè)常見(jiàn)的謬誤。真實(shí)的情況是：伴星以恒星風(fēng)的形式流出部分質(zhì)量，恒星風(fēng)中的物質(zhì)接著落入其饑渴的鄰居——黑洞的口中。

其實(shí)，如果你在黑洞的安全范圍之外就會(huì)發(fā)現(xiàn)，黑洞并非那么可怕。把太陽(yáng)替換成相等質(zhì)量的“黑洞”，地球并不會(huì)被這個(gè)“黑洞”吞入其龐大的“身軀”內(nèi)，它將繼續(xù)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，就像它圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣。

 

 

四、黑洞會(huì)把你拉成意大利面

 

盡管人們對(duì)黑洞的熱情高漲，但其只可遠(yuǎn)觀而不可接近，否則，后果很?chē)?yán)重。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你和黑洞靠得太近，你就會(huì)就像意大利面一樣被拉長(zhǎng)。這一現(xiàn)象有個(gè)極富創(chuàng)意的名字“意大利面條化”。之所以會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)，是因?yàn)槿梭w各處受到的引力大小不同。

 

如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身體中心，它們被拉長(zhǎng)的方向會(huì)與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會(huì)被拉進(jìn)身體里。最后的結(jié)果是，你的身體不僅被拉長(zhǎng)了，而且還變細(xì)了。因此，還沒(méi)等你（或其他物體）抵達(dá)黑洞中心，你就早早地變成了一根“意大利面條”。

 

40年多前，英國(guó)著名物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出了所謂的“霍金輻射”理論，即黑洞因?yàn)檩椛涠饾u萎縮變小直至消失。

 

五、黑洞是新宇宙的“媽媽”

 

天文學(xué)家在2010年4月宣布，我們的宇宙就像是俄羅斯套娃的一部分，可能棲身于一個(gè)黑洞內(nèi)，意即黑洞是宇宙的“媽媽”，而這個(gè)黑洞本身又是一個(gè)更大宇宙的一部分。

黑洞可能孵化了新宇宙這一點(diǎn)或許聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，很不可思議——尤其是我們現(xiàn)在還并不確定有其他宇宙的存在，但這一想法背后的理論——多重宇宙理論如今廣受關(guān)注。

 

今年4月下旬，來(lái)自《今日宇宙》網(wǎng)站的弗萊舍·凱恩表示，我們的宇宙或許只是一個(gè)巨大的“多重宇宙”中的一個(gè)。他說(shuō)：“每個(gè)宇宙都像是巨大多重宇宙空間內(nèi)的一個(gè)肥皂泡，從各自的大爆炸事件中誕生并不斷膨脹。”

 

這一理論認(rèn)為，在每一個(gè)這樣的宇宙中，基本的物理學(xué)參數(shù)是不同的。我們所身處宇宙中的各項(xiàng)參數(shù)剛好適合生命的創(chuàng)生。在絕大部分的其他宇宙中，生命都無(wú)法出現(xiàn)。但如果你將骰子投出無(wú)數(shù)次，其中必然會(huì)有至少一次出現(xiàn)一個(gè)各項(xiàng)參數(shù)恰好允許生命存在的宇宙。盡管這聽(tīng)上去似乎有些牽強(qiáng)附會(huì)，但實(shí)際上天文學(xué)家們已經(jīng)有辦法對(duì)宇宙進(jìn)行測(cè)量并驗(yàn)證這一理論的正確性。

 

美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)教堂山分校的理論物理學(xué)家勞拉·莫希尼-霍夫頓和卡耐基—梅隆大學(xué)的理查德·霍爾曼教授早在2005年就預(yù)測(cè)稱(chēng)，宇宙微波背景輻射的不規(guī)則分布，由來(lái)自其他宇宙的引力拖拽導(dǎo)致。據(jù)英國(guó)《星期日泰晤士報(bào)》報(bào)道，2015年，在對(duì)普朗克望遠(yuǎn)鏡獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，霍夫頓認(rèn)為她們的假設(shè)已得到證明。

 

六、黑洞會(huì)隨時(shí)間蒸發(fā)

 

黑洞可能并非無(wú)底洞，有些能量或許會(huì)從其“魔掌”中逃脫出來(lái)。

 

1974年，英國(guó)著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出了所謂的“霍金輻射”理論，即黑洞因?yàn)檩椛涠饾u萎縮變小直至消失。“霍金輻射”理論認(rèn)為，黑洞應(yīng)該有能力產(chǎn)生熱量并釋放亞原子粒子，直到它們能量完全耗盡，這一過(guò)程就是所謂的“霍金輻射”。

 

在1974年的聲明中，霍金解釋了黑洞周?chē)鷱?qiáng)大引力場(chǎng)如何影響粒子與反粒子之間配對(duì)的形成。就像量子理論中真空中時(shí)時(shí)發(fā)生的情形那樣，如果粒子恰好形成于黑洞表面外側(cè)，那么粒子對(duì)中正粒子就有可能逃離。在觀測(cè)中，它們可能是以熱輻射的形式從黑洞發(fā)射出來(lái)。同時(shí)，反粒子則跌入黑洞之中。通過(guò)這種方式，黑洞逐漸損失質(zhì)量。

 

但由于逃離黑洞的輻射過(guò)于捉摸不定，因此“霍金輻射”很難得以證實(shí)。據(jù)國(guó)外媒體今年4月底報(bào)道，來(lái)自美國(guó)和以色列的兩個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了足以支持“霍金輻射”理論的明確證據(jù)，認(rèn)為黑洞蒸發(fā)末期，黑洞內(nèi)部的能量和信息逐漸泄漏消失。

 

去年，以色列理工學(xué)院物理學(xué)家杰夫·斯坦豪爾在實(shí)驗(yàn)室中再造了黑洞環(huán)境，用于研究粒子在黑洞邊界的行為。這個(gè)邊界其實(shí)就相當(dāng)于黑洞表面。在實(shí)驗(yàn)中，斯坦豪爾發(fā)現(xiàn)，形成聲波的能量確實(shí)會(huì)從黑洞中泄露出來(lái)。這與霍金的預(yù)言相一致。

 

而今年4月份，美國(guó)密歇根州大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授克里斯·阿達(dá)米和加拿大渥太華大學(xué)的凱米爾·布拉德勒提出了一個(gè)新理論。他們認(rèn)為，黑洞中的信息和任何事物并非完全湮滅，在黑洞蒸發(fā)末期會(huì)緩慢地泄漏出來(lái)。他們將霍金輻射理論同數(shù)學(xué)工具結(jié)合，采用高性能計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)模擬模型，顯示了信息進(jìn)入和離開(kāi)黑洞的時(shí)間。

 

七、黑洞真會(huì)扭曲周?chē)目臻g

 

如果把宇宙時(shí)空比作一塊擁有縱橫交錯(cuò)的時(shí)空線(xiàn)木板，當(dāng)你在其上放物體時(shí)，物體周?chē)膮^(qū)域因?yàn)橐ψ饔脮?huì)下沉一點(diǎn)點(diǎn)。你在板上放置的物體質(zhì)量越大，木板下沉得越嚴(yán)重。這種下沉效應(yīng)會(huì)讓時(shí)空線(xiàn)不再是平的，而是彎曲的。

 

因此，你在太空中制造的下沉“井”越深，空間彎曲和扭曲的程度就越高。最深的“井”由黑洞制造而成，即使光也無(wú)法爬出來(lái)。

 

多重宇宙示意圖

 

八、黑洞是終極能量工廠

 

與我們的太陽(yáng)相比，黑洞能更有效地產(chǎn)生更多能量。

 

它工作的方式與圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(pán)有關(guān)。盤(pán)內(nèi)緣上最接近事件視界邊緣的物質(zhì)，比盤(pán)外邊緣的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度更快。這是因?yàn)樵浇咏录暯纾Ξa(chǎn)生的拉力越強(qiáng)。

 

因?yàn)檫@些物質(zhì)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的速度如此快，它被加熱到數(shù)十億攝氏度，因此能將物質(zhì)的質(zhì)量變成以“霍金輻射”的形式而存在的能量。核聚變能將物質(zhì)約0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量；而黑洞周?chē)沫h(huán)境則能將10%的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，相差十幾倍。科學(xué)家們指出，這類(lèi)能量能被用來(lái)為未來(lái)的黑洞恒星飛船提供動(dòng)力。

 

九、銀河系中央有超大質(zhì)量黑洞

 

天文學(xué)家在2014年發(fā)現(xiàn)，每個(gè)星系中央都潛伏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，中心黑洞可以影響星系內(nèi)的恒星形成，或許也能控制星系的大小。位于銀河系中央的人馬座A *（Sagittarius A）正是這樣一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量為太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，距離我們大約2.7萬(wàn)光年。

 

此時(shí)此刻，這一黑洞還在休眠。但2013年9月，澳大利亞科學(xué)家在《天體物理學(xué)》雜志上撰文指出，他們通過(guò)研究證實(shí)，這一黑洞曾神秘“爆發(fā)”，時(shí)間大約為200萬(wàn)年前，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)新的氣體正在墜落，預(yù)計(jì)未來(lái)銀河系黑洞將出現(xiàn)小規(guī)模“爆發(fā)”。

 

最新超級(jí)計(jì)算機(jī)模型顯示，星系中心超大質(zhì)量黑洞可能起源于宇宙最早期星系碰撞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)至數(shù)百億倍，上限為500億倍太陽(yáng)質(zhì)量，如果黑洞的質(zhì)量超過(guò)500億倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么黑洞周?chē)奈e盤(pán)可能會(huì)不復(fù)存在。這個(gè)結(jié)構(gòu)的散失使黑洞失去了物質(zhì)來(lái)源，黑洞也會(huì)停止成長(zhǎng)。

 

十、黑洞讓時(shí)間變慢

 

當(dāng)人們到達(dá)事件視界時(shí)，時(shí)間會(huì)變慢，為什么呢？我們可以通過(guò)著名的雙生子佯謬來(lái)理解這一點(diǎn)。

 

雙生子佯謬是一個(gè)有關(guān)狹義相對(duì)論的思想實(shí)驗(yàn)：有一對(duì)雙生兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作接近光速的長(zhǎng)程太空旅行；而另一個(gè)則留在地球，結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，他比他留在地球的兄弟更年輕。

 

這一點(diǎn)可以這樣進(jìn)行解釋?zhuān)汉诙词谴筚|(zhì)量恒星坍塌后形成的，本身質(zhì)量非常大，對(duì)時(shí)空的扭曲程度也很大。當(dāng)你到達(dá)黑洞的事件視界時(shí)，其時(shí)空曲率非常高，這意味著，它附近的時(shí)空被壓縮了，就是說(shuō)，光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)黑洞附近時(shí)，它所行走的路程會(huì)變得很長(zhǎng)，但光速是不變的，所以也就意味著經(jīng)歷的時(shí)間增加了（相對(duì)地變慢了）。

 

霍金曾在微博上表示：“有人說(shuō)，現(xiàn)實(shí)有的時(shí)候比小說(shuō)更離奇，用這句話(huà)來(lái)形容黑洞是再貼切不過(guò)了。真正的黑洞比任何科幻小說(shuō)家想象的都更怪異。”其實(shí)，也正是這種怪異對(duì)科學(xué)家們產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸引力。