黑洞是宇宙中最怪异的时空结构,任何物质包括光都无法从中逃离出来 。 虽然怪异,但今天的科学家大都认为,黑洞不仅是广义相对论的理论产物,而且是真实存在的 。 通过观测,天文学家已经发现了很多个黑洞,而且经常有新的黑洞被发现 。 例如,最近中国的天文学家就发现了人类已知的最大黑洞,质量大约为120亿倍太阳质量 。
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但最近,美国物理学家劳拉·梅尔辛-霍顿发表了一篇文章,声称黑洞并不存在 。 虽然之前也有许多人这样说过,例如英国物理学家霍金也曾说过“黑洞不存在”(不过他指的是字面意思) 。 但是梅尔辛-霍顿的研究极为特殊,看似无懈可击 。 如果她是正确的话,那么物理学和天文学都得重新改写 。
那么是否要把黑洞扔进科学史的垃圾桶里?先别急着回答,首先我们来看看这位物理学家为什么认为黑洞不存在 。
没有黑洞,只有爆炸
【黑洞到底存不存在?】霍金在1974年发现,尽管任何物质都无法从黑洞里逃离出来,但黑洞会产生辐射 。 这种辐射被叫做霍金辐射,它是一种量子现象,出现的原因是真空中会随机出现一对“虚粒子” 。 这对虚粒子一个具有正能量,一个具有负能量,加起来为零 。 通常情况下它们出现后会彼此迅速湮灭掉,但是如果它们出现在黑洞的事件视界(即黑洞的表面)附近,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞 。 虽然有一个粒子已经掉到黑洞里面去了 。 但掉进黑洞的粒子具有负能量,会减少黑洞的质量 。 这样时间一长,黑洞就会不停地产生粒子并向外辐射,并损失质量 。
梅尔辛-霍顿的研究就是基于霍金辐射的 。 大多数的黑洞(即恒星级别的黑洞),是通过恒星的坍缩形成的 。 她认为,当恒星在晚年坍缩时,霍金辐射就已经出现了,这时会有负能量不断注入恒星内核,并减少它的质量 。 这样一来,负能量会产生一种排斥力,在恒星即将变成黑洞之前,恒星会因排斥力会停止坍缩,并反弹开来,这就根本就无法形成黑洞,所以她认为黑洞不存在 。
可是,如果恒星级黑洞不存在,那天文学家成天观测的是什么?
是的,弗吉尼娅,真的有黑洞
很显然,黑洞是很难直接被观测到的 。 另外,也无法通过霍金辐射直接看到黑洞,因为这种辐射太弱了 。 尽管如此,我们仍可以找到黑洞存在的证据 。 如果它们不是黑洞,也至少看起来像黑洞 。
首先,被发现的黑洞很少是一个孤立系统 。 黑洞周围常常有物质(通常来自伴星)围绕或落入其中,这样物质会在黑洞周围形成吸积盘,就像不幸的船只被卷入漩涡中 。 物质越靠近黑洞速度就越快,物质之间会产生摩擦,生成热量并产生X射线,并可被我们的望远镜观测到 。 另外,黑洞对伴星的影响也可以被观测到 。
我们怎么知道我们所看到的就是黑洞呢?天文学家可以对它周围物质(例如吸积盘和伴星)的运动情况进行分析,推测出这个物体的质量和体积,然后就可以使用广义相对论来分析它是否足以形成一个黑洞 。 这个论证过程很难会有差错,因为我们的力学理论和广义相对论都经受住了各种考验,而且准确地预测了各种现象 。 所以一位美国天体物理学家针对梅尔辛-霍顿的理论热情洋溢地回复到:
“黑洞绝对存在,我们通过观测就能知晓 。 我们通过围绕银河系中心恒星的轨道,知道那里有一个超大质量黑洞;我们知道有双黑洞系统;我们已经发现了超过100万个黑洞的红外信号;我们知道有恒星级黑洞和中级质量黑洞;我们可以看见气体云被黑洞的引力所撕碎;我们还可以获取黑洞的照片(例如左面这张) 。 是的,弗吉尼娅,真的有黑洞 。 ”(“弗吉尼娅”是一位8岁小女孩的名字,她曾写信给《纽约太阳报》,询问是否有圣诞老人 。 《纽约太阳报》回复中说:“是的,弗吉尼娅,真的有圣诞老人 。 ”这句话成为一个句式,广为流传 。 )
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