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第2章 你所不知道的天文窘问题(1)

黑洞是个“洞”还是个“球”

出发前看了很多资料

确切地说,这是我第二次飞上太空。因为我的航天资历还很浅,在专家的建议下,我选择了危险系数最低的克尔—纽曼黑洞。实际上,我更向往克尔黑洞。因为有研究表明,克尔黑洞可能与另一个宇宙相通,进入克尔黑洞的飞船,有可能从另一个宇宙的白洞冒出来。但那样的话,我就不能坐在这里给你讲故事了———这是以虚拟的方式讲述与黑洞零距离接触的科普知识。

出发之前,我找了大量关于克尔—纽曼黑洞的资料。它的构造与克尔黑洞非常相似,为了解释得更清楚,我需要画一个简图。

有图形的帮助,你理解起来就比较容易了。静界也叫无限红移面,是一个旋转的椭圆面。无限红移面又是什么东西呢?首先我找到了红移的定义。如果把我和一个光源之间的距离拉大,在我看来,光源是越来越暗,也就越来越红。

而在物理学上,这种现象表现为光源发出的光出现了变化,波长变长了,频率变低了,并且向光谱的红端移动。“红移”的名字,也就由此而来。

在天文观测中,天体的质量越大,离地球的距离越远,红移就越明显。如果在黑洞的静界表面放置一个光源,从地球上看,此光源射出的光会发生无限大的红移,它的频率会还原到零,波长会增大到无穷,因此,外界实际上根本就看不见这样的光。换句话说,光是被黑洞吞掉了。

外视界是一张奇异的球面,在天文物理学上,视界的意思是可见区域的边界。根据我的切身体会,这个抽象的解释是指:在这个视界以内的任何东西(包括光)既不能跑出来,我们也看不见它们,就像皮革把一个足球封得严严实实,除非它破了,否则你永远搞不清楚里面究竟有什么东西。这就是黑洞真正的边界。

如果你是个细心的孩子,这时候就该问我了:“既然图上标的是外视界,那就应该还有个内视界才对,为什么你不画出来呢?”实际上,不仅仅是还有个内视界,内无限红移面、内能层也是存在的。老实地说,这些地方我都没有进去过,因为穿过外无限红移面进入外能层的飞船,仍可以找出机会逃出黑洞的魔爪,像我就是这样的一个幸存者。但如果进入外视界,就是掉进了巨火的漩涡,根本没有生还的可能。外视界就像是老人家常说的“奈何桥”,过了桥就不能再回到阳间了。当然,科学家的说法要严谨得多,这种只准进、不准出的性质叫做单向可通性,所以外视界又有个不吉利的名字———单向膜。

我还看了一些相对论方面的书,尽管广义相对论非常难懂,我还是把最基本的一点记住了:时空弯曲的地方,钟走得慢;弯曲越厉害,钟走得就越慢。

黑洞表面处的时空“弯曲”得非常厉害,因此把钟放在那里,它会变得奇慢无比。如果能从地球上看到钟的时针、分针,将会发现它已经完全停止不走了。

你的错觉和我的激动

但是你可不要认为静界和外视界是可以观察到的,如果那样的话,人们就不会把黑洞叫做“穿着隐身衣的怪兽”了。虽然这次航行的技术指导非常负责,尽可能明确地在星空图上标出了黑洞的位置,但我还是花了很长的时间才找到它。更确切地说,是它的引力找到了我。

我在接近黑洞时,并没有发现时间有什么变化,手表仍然以正常的速度走动着。飞船也几乎没有任何异常。然而如果当时你看见了我的宇宙飞船,你会觉得它越接近黑洞,走得就越慢,几乎分辨不出它在移动,这大概才是广义相对论的精髓所在吧。

后来,你甚至会认为飞船好像已经完全凝固,连我在内都成了塑像。如果你的身边正好有一台光学仪器,你还将看到,从飞船发出的光线,红移现象越来越明显。飞船也在慢慢变红,它越来越红,越来越暗,最后冻结在黑洞的表面上,消失在的黑暗中。你不由得惊呼:“天哪,它消失了!”

但是,此刻却是我最激动的时候。实际情况也和你看到的完全不同。我心爱的“GYG”号始终保持着非常快的速度,而且是越来越快,因为有一种越来越大的力量在牵引我。我知道这是潮汐力在发挥作用。

潮汐力在宇宙中是广泛存在的。地球上的各种物体,当然也包括人类,无时无刻不受到地球万有引力的影响。对于直立行走的人来说,由于头和脚离地心的距离不同,它们受到的地球引力也略有差别,之间相差两三滴水的重量。

万有引力的这个差距,就叫做潮汐力,对于人来说,潮汐力的大小与他身高相关。海洋的涨潮落潮,则是因为向着月亮一面的海水,与背着月亮一面的海水,离月亮的距离不同,导致它们受到的月亮引力产生了差异,这个差别进而引起了海水的上涨。这就是潮汐力名称的由来。

黑洞的质量是非常巨大的,因此它的引力场不仅势力特别强,范围也特别广。在如此巨大的引力场下,各点由于位置不同,很容易产生猛烈的潮汐力。

有时候,宇航员还没有进入黑洞,就已经被撕裂了。

当我在不知不觉中闯进了克尔—纽曼黑洞的外能层区以后,不得不集中精力躲避那些横冲直撞的宇宙物质。这感觉就像我一不小心跑错了车道,开始逆向行驶。数不尽的车辆尖声鸣叫着,劈头盖脸地扑来。当然车道上是有出口的,而且标志很明显,在吓出一身冷汗之后,我就可以开着车安全地离开了。但是外能层区的出口在哪里呢?如果没有足够的把握,我根本不敢偏离原来的轨道太远。因为再进去一点,说不定就会突破外视界这个单向膜。但是无论如何,这是一次激动人心的旅行,比坐在电脑前玩电子游戏有意义多了。

片刻之后,我镇静下来,开始利用精密仪器计算我所受到的潮汐力。如果它减小了,说明我正在脱离黑洞的控制。好,就这样一点点来吧……虽然我很想进入单向膜,但我知道,还有更多有价值的事情等着我去完成。然而,黑洞是如此的吸引我,既然不能亲身体验,那就从科幻小说中寻找那种令人毛骨悚然的快乐吧。

勇敢者的游戏

如果有人大无畏地穿过外视界,他就进入了内、外视界之间的单向膜区。

在这个区域里,他的宇宙飞船将成为毫无用处的废铁。因为广义相对论告诉我们,黑洞内部的时空坐标发生位换,也就是说,原来的时间t成为空间坐标,原来的纵向坐标则表示时间。但是相对论实在是一门非常麻烦的学科,还是用我自己的话向你解释吧。

进入外视界之前,勇敢者对黑洞的探索,是一个时间不断延长,与黑洞中心的距离不断缩短的过程。如果用坐标轴表示的话,代表时间的坐标t上的数字,是增大的趋势,而表示空间的坐标上的数字,却是减小的趋势。当这个坐标轴颠倒过来之后,不断减小的指时间,意味着勇敢者接近黑洞中心的航行,成为一个时间发展的过程。因为时间不可能倒流,他也只能“义无反顾”地向黑洞中心冲去。也是由于这个原因,任何物质都不可能在单向膜区停留,因此这个区域处于可怕的真空状态。

但是,就像你明明看见我的宇宙飞船停滞、消失,而我自己却丝毫没有感觉一样,飞船上勇敢者在穿越单向膜区时,并没有感到有任何变化,即使是周围的世界一下子安静下来,他也没有太多的想法。他只清楚地感觉到越来越大的潮汐力,由此判断飞船将在有限的时间内到达黑洞中心。

越来越大的潮汐力,会使勇敢者的身体变形。倘若他下落时脚在前面,那么双脚就比头更接近引力中心,所受的引力也更强些,这样一来他就被拉长了。

与此同时,他的双肩会受到向里的挤压。看来,黑洞不把这位勇敢者变成拉面,是不会善罢甘休的。

黑洞和白洞原来是连体婴儿

如果黑洞的质量是太阳的1000倍,与银河系中心的那个黑洞差不多大小,这位勇敢者从视界落向奇环的过程,大概是3分钟。如果是1个太阳质量的小黑洞,从视外到奇环的旅程只需要几微秒。

这个奇环又叫做奇点,是黑洞的中心。在这里,引力的增强是没有上限的。

因此,许多物理学家深信,这个奇环是名副其实的时空终结处,与它相遇的任何物质都将会完全湮灭。如果确实如此,组成勇敢者身体的原子,将在奇环里化为乌有。

进入克尔黑洞内部的勇敢者,开始时小心翼翼,唯恐撞在奇环上。但不久他就会明白,自己只要不进入奇环所在的赤道面,就不会撞上去。即使他想和黑洞开个玩笑,故意往上撞,也没有用。奇环好像有一股魔术般的推斥力,不让飞船靠近它。只有奇环所在的赤道面是例外,在赤道面上,奇环对飞船有一股吸引力,勇敢者必须小心,不要被它吸过去。

所以说,克尔黑洞的结构虽然比另一种黑洞———史瓦西黑洞要复杂,但进入这里的飞船却要幸运得多。它虽然再也飞不出克尔黑洞,但还不至于直接撞在奇环上。勇敢者可以驾驶飞船在奇环附近飞来飞去,如果高兴,还可以像雄狮跳火圈一样,穿越奇环玩玩。但这可是要付出惨痛代价的。勇敢者会发现他没有从环的另一端出来,而是进入了另一个世界,那里只有万有斥力,没有万有引力。勇敢者虽然侥幸逃过了黑洞的魔爪,却会在这里被撕得粉碎。

这是因为,位于我们这个宇宙的克尔黑洞,其内部有可能就是某个克尔白洞的内部,而这个白洞属于另一个宇宙。这样的话,克尔黑洞就成了进入另一个宇宙的通道。不小心穿越克尔黑洞奇环的飞船,有可能从另一个宇宙的白洞中冒出来。但也有人认为,这个白洞也可能就处在我们的宇宙中,进入克尔黑洞的飞船,会从我们宇宙的某一个克尔白洞冒出来。

“宇宙监督”禁止赤裸的黑洞出现

假如克尔黑洞越转越快,其单向膜区就会越来越薄,最后内、外视界重合,形成所谓的“极端黑洞”。这时黑洞的单向膜区,已经退化为一层膜。如果转得再快一点,这层膜也会消失,视界完全没有了,奇环裸露在外面。

这可不像我们不穿外套那么简单。科学家认为,在奇环附近有“闭合类时线”,走出这条线的人可以回到自己的过去。佛教宣扬的“因果循环”虽然终于应验了,但想想吧,那将会变成什么样子,爷爷辈的人突然成了儿子辈的人,这会使整个世界乱了套。为了避免这种荒谬的现象出现,著名的英国相对论专家彭若斯,提出了“宇宙监督假设”,即“存在一位宇宙监督,它禁止裸奇点(奇环)的出现”。

“宇宙监督”并不是彭若斯自己杜撰的新名词,这个说法还与西方人的文化背景有关呢。罗马帝国时代,物质生活极端富裕。人们在尽情享受生活之余,想方设法追求新异的东西。有一段时间,裸装开始流行起来。这可太伤风化了,各大城市马上采取措施,设立了监督官。这些人的职责,就是禁止人们不穿衣服在街上走。

彭若斯效法当时的罗马政权,也“任命”一位宇宙监督,不准裸露的奇环出现在宇宙中。奇环必须穿上衣服,这件衣服就是黑洞。监督时刻提醒奇环:

你得老老实实地待在黑洞里面,不准把你的秘密说出去,否则造成天下大乱可不是好玩的。

但是,由谁来担当这一重担呢?就目前的程度和发展阶段来说,人类显然没法胜任。看来得让自然来处理这件事情。但是“宇宙监督假设”的不足之处,就在于没有说明能够阻止裸奇环出现的自然条件。要使宇宙监督不只是一个动听的比喻,在它后面就应该有某个积极的自然因素,保证它的存在是可能的。

因此,彭若斯修改了“宇宙监督假设”,提出“类时奇异性是不稳定的”。

这种说法的意思是,克尔黑洞的奇环和内视界都是不稳定的,稍有扰动就会变化。要想避免人们进入克尔黑洞内部,迈过“闭合类时线”,实现时光倒流的梦想,就要封住内视界,不让任何飞船钻进去。这就有点像大禹的父亲了,他用堵塞的方法治理黄河,结果越治越乱。

怎么样,很吸引人吧?当然,上述所有这些都还只是一种猜想与假设。但是奇环确定是非常神秘的地方。由于人类从来没有到达那里,奇环成为人类认识的盲区,没有任何规律可循,也无法做出任何正确的预测,这才是最可怕的。

能否从黑洞中拿点儿什么

转动的黑洞,如我们提到过的克尔黑洞,有一个非常著名的特性,这就是所谓的“彭若斯过程”。

1969年,英国科学家彭若斯向科学界报告了自己的新发现:在位于黑洞外延的能层中,当物质粒子的转动方向与黑洞相反时,粒子的能量就会改变性质,用物理语言来说,就是具有无穷远的负能。黑洞为了对付这种粒子带来的阻力,会减少一定的能量。

如果有一个粒子从远处落入能层,并在能层中一分为二,一个新粒子的运动方向与黑洞相反,另一个则与黑洞转动方向相同,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,变成无穷大的负能时,飞离黑洞的粒子将意外获得大大高于自身的能量。

这个发现有什么意义呢?希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗,回答了这个问题。他想出了一个很巧妙的方法,从黑洞中摄取能量。如果我们在太空中向能层投放物质,当分解后的一部分物质,装载宝贵的能量被发射出来时,我们只需要做好接受工作,就能获得比牺牲的物质多得多的能量。这样既可以处理掉地球上的废料,又不会产生宇宙垃圾,真是一举数得。

这个计划的具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的钢性骨架,当然要选在离黑洞足够远的地方,否则再坚固的骨架也会被过大的潮汐力摧毁。然后,在这个骨架上建设一座工业城市,将地球上每天产生的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,每辆车在进入能层后到达“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慢了转动速度。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。

而这个转子是接在发电机上的,于是就可以为城市提供电力。回收每辆小车赚得的能量是巨大的,等于抛出的垃圾质量能量加上黑洞本身质量能量的一部分。

这真是一个聪明、大胆的方案!太空工业城市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。不过每次倒进垃圾和回收质量的操作,会使黑洞的旋转速度放慢,这有可能会使黑洞消失。因此,需要寻找下一个黑洞。这时,城市的创意者就像玩陀螺一样,把这个太空城市转到另一个新黑洞的周围,继续同样的过程。

对这个令人向往的生态城市,有的人可能会嗤之以鼻。然而,“彭若斯过程”不只是一种趣谈。实际上,从转动的黑洞中提取能量的尝试,有可能已经在自己的天体物理条件下,正通过一个适当分布的外部磁场而发生着。

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