有关黑洞的前世今生

卢昌海：1971年生，曾就读于杭州第二中学。美国哥伦比亚大学物理学博士，科普作家。为本刊撰写过多篇物理学前沿科普文章。现居纽约。

如果要在科学术语中评选几个最吸引大众眼球的术语，“黑洞”无疑会名列前茅。事实上，这个试图把自己遮盖得严严实实的家伙不仅频繁出没于科幻故事中，而且在新闻媒体上也有不低的出镜率。前不久，一条有关美国国家航空航天局发现“最年轻黑洞”的新闻就被媒体竞相转载。而有关大型强子对撞机有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻，更是在过去几年时间里反复出现在各大媒体的显著位置上，甚至还将美国和欧洲的司法界都卷入其中——有人试图通过法律手段来制止对撞机的启用，以“拯救”地球。在对撞机开始试运行的2008年9月，在印度还发生了“一个‘黑洞’引发的血案”——一位16岁的花季女孩因担心微型黑洞毁灭世界而自杀。

搅起如此风波的黑洞究竟是什么东西呢？在本文中，我们就围绕这两条新闻来谈谈黑洞的前世今生。

到底什么是黑洞

黑洞这个概念的起源通常被回溯到1783年。那一年，英国地质学家米歇尔利用牛顿万有引力定律和光的微粒说得到了一个推论，那就是一个密度与太阳相同的星球如果直径比太阳大几百倍，它的表面逃逸速度将会超过光速。这意味着该星球对远方观测者来说将成为一颗“暗星”——作为微粒的光将无法从它表面逃逸。不久之后，法国数学家拉普拉斯在《世界体系》一书中也提出了那样的推论。这个在今天看来只有中学水平的推论，就是黑洞概念的萌芽。

但这个萌芽很快就枯萎了。枯萎的原因是它所依赖的前提之一——光的微粒说在科学界失了宠，被“波动说”所取代。波动说顾名思义，就是把光看成是一种波。牛顿引力对光波会有什么影响？却是一个谁也答不上来的问题。既然答不上这个问题，光能否从星球表面逃逸之类的问题也就无从谈起了。因此自《世界体系》的第三版开始，拉普拉斯悄悄删除了有关黑洞的文字，他这个“与时俱进”的做法基本上为牛顿理论中的黑洞概念画上了句号。

黑洞概念的卷土重来是在20世纪初。那时候，爱因斯坦刚刚提出了广义相对论。1916年初，被第一次世界大战的战火卷到前线，且罹患天疱疮，“阳寿”只剩五个多月的德国物理学家史瓦西得到了广义相对论的一个解——史瓦西解。从这个解中，我们可以得到很多推论，比方说如果把太阳压缩成一个半径不到3公里的球体，外部观测者就将再也无法看到阳光，这就是现代意义的黑洞。与米歇尔和拉普拉斯的“暗星”不同，现代意义的黑洞具有很丰富的物理内涵，并且不依赖于类似光的微粒说那样的前提。

遗憾的是，史瓦西解的那些推论在很长时间里不仅没有被人们所完全了解，反而遭来了一些针对黑洞的反对意见，就连爱因斯坦也曾提出过一些如今看来很幼稚的反对意见。不过，东边不亮西边亮，另一个方向上的研究，即对白矮星的研究，却殊途同归地将物理学家们引向了黑洞。

恒星变老之后就成了黑洞

白矮星是耗尽了核聚变能量后的老年恒星，它们的质量与太阳相仿，块头却跟地球差不多，因而密度极高（一汤匙的白矮星物质就有好几吨重）。白矮星的发现给科学家们带来一个问题：恒星之所以能稳定存在，是因为内部核聚变反应产生的巨大辐射压抗衡住了引力，但像白矮星那样不再有大规模核聚变反应的天体又是如何“维稳”的呢？这是一个很困难的问题。

当人们为这一问题伤脑筋时，一门新兴学科——量子力学——已经成熟了起来。量子力学中有一条“泡利不相容”原理。按照这条原理，电子是一群极有个性的家伙，每一个都坚持拥有独一无二的状态。如果你想压制这种“个性”，它们就会“殊死抗争”，这种抗争在宏观上会体现为一种巨大的压强，叫作“电子简并压”。白矮星主要就是依靠这种压强来抗衡引力的。 当时很多人认为，这就是恒星的终极“养老方案”，因为计算表明，“电子简并压” 在任何情况下（即对于任何质量的恒星）都足以抗衡引力。

然而一位印度青年无情地粉碎了这个美好的“养老方案”，此人名叫钱德拉塞卡，这次美国发现最年轻黑洞的“钱德拉X射线太空望远镜”就是以他名字命名的。1930年，本科刚毕业的钱德拉塞卡在研究白矮星时发现了一个出人意料的结果，那就是如果将相对论效应考虑在内，电子简并压将大为减弱，尤其是当白矮星的质量超过太阳质量的1.4倍时，电子简并压将无法抗衡引力。可电子简并压是当时已知的能使老年恒星抗衡引力的唯一机制，如果它不管用了，那老年恒星的命运会是什么样的呢？这一问题使很多人深感不安，其中包括重量级的英国天文学家爱丁顿。爱丁顿表示，这个结果是荒谬的，大自然一定会让恒星“老有所依”。用今天的眼光来看，这是一种没什么说服力的单纯信念式的表态。不过当年这一表态却给钱德拉塞卡带来了很大麻烦，他的论文直到一年多之后，才在遥远的美国找到一份杂志发表。

后来人们知道，恒星的“养老方案”其实不是唯一的，当电子简并压无法抗衡引力时，老年恒星还有另一种归宿，那就是中子星。中子星是一种密度比白矮星还高一亿倍(一汤匙中子星物质可以有几亿吨重)的天体，它依靠的是与电子简并压相类似、但更为强大的中子简并压。不过可惜的是，后者的强大也是有限度的，当中子星的质量超过太阳质量的3倍时，中子简并压也会败下阵来，这时恒星就真的没救了，它的归宿只有一个，那就是黑洞。因此黑洞不仅是史瓦西解（以及后来发现的若干其他解）的推论，也是大质量恒星演化的必然归宿。

怎样才能找到黑洞

所有这些都只是理论，接下来的问题是：像黑洞那样“黑”的东西，如何才能得到观测上的证实？解铃还需系铃人，能帮助我们观测黑洞的，恰恰是那个使黑洞变“黑”的幕后推手——引力。黑洞虽然不发光，它的巨大引力却足以造成许多极为显著的观测效应，比方说，如果黑洞附近有足够多的物质，甚至有大质量的伴星，黑洞的巨大引力就会吞噬那些物质，那些物质在掉进黑洞之前会发射出强烈的X射线。探测这种X射线因此成了探测黑洞最重要的手段之一。

好了，现在让我们再来谈谈那两条新闻。钱德拉X射线太空望远镜之所以能用来寻找黑洞，正是利用了物质在掉进黑洞之前会发射大量X射线这一特点。此次发现的黑洞之所以被称为“最年轻”，是因为它只有31岁，它是31年前的一次超新星爆发的遗迹。需要补充说明的是，这个黑洞位于距我们5000万光年之遥的一个旋涡星系中，我们如今看到的只是它在5000万年前所发射的X射线，它的真实年龄是5000万岁而不是31岁。我们怎么知道它是黑洞呢？那是因为天文学家利用X射线能谱等数据估算了它的质量，结果约为太阳质量的5～10倍，超过了中子星的最大可能质量。这就是“最年轻黑洞”这一头衔的由来。

黑洞会吞噬地球吗

接下来我们再谈谈所谓大型强子对撞机有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻。大型强子对撞机的设计能量为7万亿电子伏特，按照广义相对论，那样的对撞机不会产生黑洞。7万亿电子伏特在微观上虽是一个很高的能量，用宏观标准来衡量却只相当于一千万分之一焦耳，这一丁点儿能量若想形成黑洞，除非是把它压缩到一个线度为一千亿亿亿亿亿亿分之一米的区域内，这比大型强子对撞机所能达到的最小线度小了一亿亿亿亿倍，因此是绝不可能产生微型黑洞的。

既然如此，为什么仍有那么多人担心微型黑洞呢？因为他们背后有“高人”在指点，那些“高人”为他们的担心注入了一条重要理由，那就是在某些现代物理理论（比如超弦理论）中，时空有不止四个维度。由于引力与时空密切相关，因此时空若有不止四个维度，引力的规律也将有所不同，而引力的规律一旦不同， 产生黑洞的条件就会发生变化。理论计算表明，在那些带有额外维度的理论中，确实存在一些尚未被实验所排除的参数范围，使得大型强子对撞机有可能产生黑洞。

幸运的是，即便那些理论是正确的，而参数也恰好处在能使大型强子对撞机产生黑洞的范围内，那样的黑洞依然不可能毁灭地球。因为黑洞还有一个我们尚未介绍的重要特点，那就是它并不是全“黑”的。1974年，英国物理学家霍金发现，由于量子效应的影响，黑洞会向外辐射能量。这种所谓的霍金辐射对于大质量黑洞来说是微乎其微的，但对微型黑洞却极为显著，而且在时空有不止四个维度的情况下依然存在。计算表明，由于霍金辐射的存在，即便大型强子对撞机能够产生黑洞，那些黑洞也会在瞬息之间就“人间蒸发”，别说毁灭地球，就连侵吞一两个原子都未必来得及。

至此，大型强子对撞机有可能因产生微型黑洞而毁灭地球的传闻似乎该烟消云散了。但事实却不然，有些人依然表示怀疑，因为霍金辐射尚未被观测证实过。虽然有关微型黑洞毁灭地球的担心本身也是建立在尚未被观测证实过的理论之上的，但当科学家们用同样的理论来回答时，有些人却拒绝接受。对于这种近乎偏执的怀疑，有一样东西可以替科学家们作出回应，那就是宇宙射线。

大型强子对撞机是人类迄今所建能量最高的对撞机，但浩瀚的宇宙却有各种办法产生比那高得多的能量。观测表明，我们所栖居的地球每秒钟都会受到十万次以上的超高能宇宙射线的轰击，那些宇宙射线与地球物质发生碰撞时所具有的能量比大型强子对撞机的能量更高，而且那样的轰击自地球诞生以来从未间断过（相当于每时每刻都有大型强子对撞机在运行）。 如果大型强子对撞机果真有产生微型黑洞并毁灭地球的风险，那样的风险应该早就被宇宙射线转化为现实了。我们今天仍能争论这一问题本身，就很好地说明了那样的风险并不存在。事实上，如果我们把眼光放得更远一点，那么不仅地球每时每刻都受到大量超高能宇宙射线的轰击，表面积比地球大一万多倍的太阳更是一个大得多的靶子，如果那样的轰击有危险的话，太阳无疑会比地球死得更快。因此，包括太阳在内所有恒星的存在全都是极强的证据，表明大型强子对撞机因产生微型黑洞而毁灭地球的风险是完全可以排除的。

事实上，大型强子对撞机若果真能产生微型黑洞的话，那不但不是什么风险，反而是了不起的实验成就，因为那不仅是对某些现代物理理论的绝佳检验，而且还是研究霍金辐射的最好、甚至有可能是唯一的手段。

（就在本文清样时，媒体报道欧洲大型强子对撞机的首次对撞试验已进行，但没有发现迷你黑洞。—小编注）