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黑洞的兽穴

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黑洞的兽穴
 
 
在美国许多村社总有那么一二位神秘人物,他们的情况人们知之甚少。这些人过着隐士般的生活,喜欢独居,希望别人不要过多地探询有关他们的事情。
 
宇宙中也有这样的隐居者。黑洞——天空中大多数大质量恒的最终演化产物,一个超致密天体——就是宇宙中的神秘隐士。这些宇宙隐士被保护在秘密掩体内,有关它们的信息一点都透露不出来。
 
“黑洞”这个名词是普林斯顿大学的物理学家惠勒( John Wheeler)在 1968 年发表的一篇题为《我们的宇宙,已知的和未知的》的文章中首先提出来的。惠勒不愿意用“引力坍缩物体”这样的名词,希望创造一个较简洁、概括性好的词汇,他认为“黑洞”一词响亮,有号召力。
 
黑洞是在一特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。黑洞产生的过程类似于中子星产生的过程:位于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。在中子星情况下,当核心中所有的物质都变成中子时坍缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使坍缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想像的物质。
 
在如此密实的黑洞中隐匿着巨大的引力场,这种引力大到使任何东西,包括,都不能从黑洞逃逸出去。这就是这种物体被称做“黑洞”的缘故。黑洞不让在其边界以内的任何事物被外界看见。
 
为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出其边界,我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦( Albert Einstein)创建的成功的引力学说,适用于行星、恒星,也适用于黑洞。爱因斯坦在 1916 年提出来的这一学说,说明空间和时间(合起来叫做时空)是怎样因大质量物体的存在而畸变了的。
 
简言之,广义相对论说物质弯曲了空间,而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动(在科幻小说和影片中普遍使用的“空间翘曲”一词就是对此原理的表达)。
 
让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先,考虑时间(空间的三维是长、宽和高)是现实世界中的第四维(难于在平常的三个方向之外再画出一个方向,但让我们尽力去想像)。其次,考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。
 
爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景:石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些,虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的,但其中央稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块,则将产生更大的效果,使床面下沉得更多。事实上,石头越多,弹簧床面弯曲得越厉害。  
同样的道理,宇宙中的大质量物体将使宇宙结构受到畸变。正如 10 块石头比 1 块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体比一个或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。
 
如果一个网球在一张完全绷紧了的平坦的弹簧床面上滚动,它将沿一直线路径前进。反之,如果将它送到绕经一个下凹的地方,则它将行经一弧形路径。同理,天体穿行于时空的平坦区域
 
 

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