◎黑洞之謎

奧本海默是否已墜入黑洞?從目前許多關於宇宙學的書籍來看，可能是這樣。這些書的索引中都沒有出現奧本海默的名字，而且書裏圍繞黑洞所進行的冗長而複雜理論討論中也沒提到他。然而，正是這位偉大的美國物理學家，首先想象著這些非常奇怪的宇宙實體，把它們看成愛因斯坦相對論不可避免的產物。如今的人們更多地知道的是，奧本海默是洛斯·阿拉莫斯研究組的頭，投到廣島和長崎的原子彈就是他們造出的。1938年末，奧本海默和沃爾科夫已完成了關於中子星質量和周長的計算。這項工作使奧本海默確信，質量大的中子星在死亡時會發生向心爆炸。這種向心爆炸的結果是什麽呢?

奧本海默獲得了他在加州技術學院的研究生斯奈德的幫助，以解決其中出現的數學方程。斯奈德是一名優秀的學生，具有獨立思考的精神。作為當今黑洞領域最重要的專家之一，索恩在他1994年的《黑洞和時間扭曲》一書中就詳細地討論了奧本海默的工作。具有諷刺意味的是，索恩是奧本海默的主要對手之一惠勒的學生。索恩注意到，斯奈德在奧本海默和托爾曼指導下所作的計算難得可怕。問題中的有些方麵直到20世紀80年代出現超級計算機之後才可能獲得解決。“為取得一絲一毫的進展”，索恩寫道，“給向心爆炸的恒星建立一個理想模型非常必要，然後對由模型的物理規律所做出的預測進行計算”。在索恩看來，斯奈德施展著絕技，建立廠適用的方程，然後解決了它們。仔細研究這些公式，物理學家能得到他們所希望看到的向心爆炸的各方麵性質，從恒星外看情況如何，從恒星內看如何，從恒星表麵看如何，等等。

許多物理學家發現，這些方程讓人難以理解。問題在於，從外部參考係來看，向心爆炸在到達某一點時會永遠凍結住；而一個在向心爆炸時被向內帶的恒星表麵上的觀察者看來，則似乎根本不會出現凍結。由於觀察點不同，人們發現，一個恒星能同時做兩件完全不同的事。這需用以前從未考慮過的時間扭曲來加以解釋。是的；愛因斯坦曾提出過時間扭曲。是的，量子理論和海森伯不確定原理指出觀測行為會對被觀測的東西產生影響，但那是在亞原子尺度上。這些在大多數美國物理學家看來有點離題太遠。

事實上，在奧本海默、斯奈德1939年的文章之前就有人做了這方麵的研究。在那11年前，年輕的物理學家錢德拉塞卡就已經從理論上得出，恒星的核如果大於太陽尺寸的1．4倍，它將不會變成我們通常觀察到的白矮星；相反，它們會因自身引力而繼續坍縮。朗道，一個具有傳奇色彩的蘇聯物理學家，幾乎同時得到這一結論。他與錢德拉塞卡因在這一領域的開創工作而共享1983年諾貝爾物理學獎。注意，這之間存在一個時間差。如果一位科學家要等上55年才獲得一個諾貝爾獎，那麽這就表明他的工作超前於他所處的時代。 1928年，物理學界的一位巨頭，曾在1919年觀測日食而確證愛因斯坦相對論所預言的空間扭曲的愛丁頓爵士，就對錢德拉塞卡的理論大為光火。“應該存在一條自然規律以製止恒星以如此荒唐的方式演變”，他喊道。

奧本海默和斯奈德的文章從惠勒和其他美國物理學家那裏得到了幾乎相同的對待。事情因第二次世界大戰的開始而暫時停了下來。美國物理學家開始加入到原子彈的製造之中。戰後，雖然奧本海默和惠勒有段時間都在普林斯頓高等研究院工作，但他們之間的矛盾已影響到了他們的私人關係。當奧本海默首先從實用和倫理角度反對發展氫彈時，惠勒又成為對立陣營的主角。惠勒成為氫彈的主要設計者之一。奧本海默對氫彈的反對使他在麥卡錫主義流行的20世紀50年代深受影響，甚至人身安全都存在問題。盡管不忠於國家的指控從未得到證實，但這些浪費了他大量的精力，使他遠離了關於黑洞的討論。另一個原因是，惠勒在黑洞這個問題上完全轉變了觀點。

惠勒的轉變是如此徹底，以致他於1969年給出了黑洞這個名詞，並成為這一領域最重要的理論學家之一，完全超過了他的老對手奧本海默的貢獻。電視係列片《星際旅行》中的一段情節就是根據這一現象而寫的。《星際旅行的物理學》一書的作者克勞斯寫道：“當我為準備寫這本書而看到這一情節時，我發現非常有趣的是《星際旅行》的劇作者寫錯了。現在我意識到他們幾乎發明了這個名詞。”係列片的劇作者用的詞是“黑星”。

《星際旅行》使公眾著迷於黑洞這個概念。這種著迷也部分因為惠勒所想出來的名字，它能激發出巨大的神秘感，而且還出現在有關日常生活中麻煩的玩笑之中。公眾從未對像白矮星、中子星這些重要的恒星產生興趣，而黑洞則像彗星一樣吸引住了公眾的注意力。很奇怪，頂尖的物理學家已為黑洞這一問題苦思冥想了60年，並且仍在繼續著。事實上，公眾對黑洞的關注是因為我們很難解釋它，這使黑洞成為我們知識的空白，促使每個人都能自由地發揮他們的想象。

許多黑洞的定義都集中在說明它的引力場非常強，以致任何東西甚至光都無法逃離它。索恩走得更遠。雖然他的書出版於1994年，先於天文學家開始驗證黑洞是否確實存在了好幾年，索恩已處於黑洞理論研究的前列。即便是索恩都非常謹慎，因為他有關黑洞的計算導出了更奇怪的結論。

讓我們問一個簡單的問題：黑洞有多大?

理論上，任何東西都能變成一個黑洞。比如，一顆恒星，一顆衛星，帝國大廈，一頭大象，你，或者我，隻要有足夠的力施加到這個物體上，把它壓縮至它的引力場強到可以使空間彎曲、俘獲光，這樣它就變成了一個黑洞。你和我都將變成一個小黑洞，隻要我們隻有一個電子的十億分之一大。如果要使地球變成一個黑洞，那麽地球就必須比乒乓球還要小。如果要使太陽成為一個黑洞，其半徑將隻有2．4公裏。

實際上，太陽不會變成黑洞，你和我也不會。我們都沒有大到可以成為黑洞，而有些恒星大到不可避免地會變成黑洞。正如費裏斯在《全部家當》中解釋的那樣，“每顆健康的恒星都代表兩種相反力的平衡。引力要使恒星坍縮。恒星的核產生的向外熱輻射，使恒星向外擴張。在向內的引力和向外的熱輻射的作用下，處於平衡狀態的恒星會有規律地跳動。跳動的脈搏由一種美妙的反饋機製來調節。”這種熱和引力間的反饋機製能使恒星燃燒很長時間，對於太陽這將是100億年，這是太陽壽命的一半。恒星核中的核燃料維持著這種反饋機製，它的燃燒率與恒星質量的立方成正比。這樣，如果一個恒星的質量是太陽質量的10倍，那麽它的燃燒率就是太陽的1000倍，燃燒得更明亮，但也更短。對於任何尺寸的恒星，隻要熱和引力之間的平衡被打破，坍縮就將是不可避免的了。

尺寸像太陽那麽大或質量隻有太陽質量5／7的恒星將變成白矮星。白矮星大小如地球，卻具有太陽那麽大的質量，它將不再坍縮，因為量子力學中的泡利不相容原理在起作用，電子防止了恒星密度的增加。更大的恒星將坍縮得更厲害，常縮小到直徑隻有16．1公裏，它們被稱為“中子星”，因為它們的核是由電中性的亞原子粒子組成的。中子星旋轉得非常快，能達到1000周／秒，如果它們還有一個磁場的話，那麽它們將產生很強而又短促的無線電波束，這使它們得到了“脈衝星”的名稱。

更大的恒星可能具有很大的質量，以致它們演化成的白矮星或中子星會繼續坍縮下去，這樣就將形成黑洞。任何物體包括光，都逃不脫黑洞的吸引，隻要它們離黑洞的視界足夠接近，它們就會被吞噬。支配宇宙的正常的引力規律在視界處轉變為支配黑洞的規律。黑洞是這樣一個奇點，在其內部區域特殊的規律起著作用。已有許多不同的理論嚐試著詳細說明黑洞內部所發生的一切。甚至連好萊塢都參與其中，這在迪斯尼公司1979年的電影《黑洞》中有所表現。雖然這部電影視覺上非常壯觀，但卻傻得可愛。一些宇宙學家認為，任何掉人黑洞的物體將被拉長，像麵條一樣，而另一些人則想象著通過黑洞旅行到另一個不同世界的可能性。許多聰明的人為此做了無數的計算，但遺憾的是，還沒有人真正知道將發生什麽。考慮到宇宙大爆炸理論的某些方麵，我們所麵對的奇點為描述黑洞提供了一些線索。不管對黑洞的數學描述有多麽精致，它隻是一個想象的現實。

自惠勒轉而支持黑洞這個想法以來，無數的宇宙學家盡力想弄懂這些奇怪的星體的本性。20世紀七八十年代，直到90年代，關於黑洞的理論層出不窮，引起爭論不斷。有關的理論很多了，但卻存在一個問題：人們還未觀測到黑洞。

天文學家觀測黑洞存在一個固有的問題。從黑洞的定義可知，它們不能被觀測到，隻能從它們周圍的其他恒星和星係的表現來推斷黑洞的存在。隨著1994年對哈勃望遠鏡的修複和X射線望遠鏡的發展，人們不斷進行觀測，積累有用的信息。20世紀90年代後半期和2000年的開頭，根據記錄的數據許多有關黑洞的預言都被證實。在過去的幾年中，幾乎所有的宇宙學家都認為我們已擁有了證明黑洞存在的證據。然而事情常常是這樣的，當不斷獲得新的信息時，它在解決問題的同時也不斷地帶來新的問題。

自1974年天鵝座X-1被普遍認為是黑洞的最佳候選者以來，天文學家就一直在這方麵不懈地努力著。天鵝座X-1是一個由兩顆恒星組成的雙星係統，這樣的係統在宇宙中很常見，但天鵝座X-1的特別之處在於：用光學手段進行觀測時，一顆恒星很亮，但用X射線進行觀測時就變得很暗了；另一顆正好相反，光學觀測時很暗，X射線觀測時就很“亮”。

前一顆恒星看來在繞後一顆旋轉。利用數學公式，會發現那顆暗星太重，不會是中子星，非常可能是一個黑洞。

20世紀80年代中期，天文學家收集了大量有關天鵝座X—1的信息，致使索恩和霍金為它是不是黑洞而打賭。如果是黑洞，霍金要為索恩訂雜誌《雨篷》；如果不是黑洞，索恩要為霍金訂諷刺雜誌《個人觀點》。

到1990年，增加的證據使索恩認為，他有95％的機會是對的，但他並不希望霍金認輸。然而，索恩還是寫道：“1990年6月的一個深夜，當我在莫斯科與同事進行研究時，霍金及其隨從闖進了我在加州理工的辦公室，找到了打賭的憑證，寫了一個認輸的便條，並加蓋了霍金的拇指印。”

天鵝座X-1是黑洞這一結論，既有從哈勃望遠鏡得到的光學觀測證據，也有X射線觀測證據。其他的新信息更具有挑戰性。正如一些天文學家所預言的，20世紀90年代後期的觀測證據表明存在兩種不同的黑洞。

科學家正在找的不光是具有天鵝座X-1這樣典型雙星係統質量的黑洞，還包括質量為10億倍太陽質量的黑洞。這樣的超級黑洞不斷在星係中心被發現，到2001年為止已發現了30個。這些都是通過測量黑洞周圍被黑洞所吞噬的高速旋轉氣體的速度得到的。

結果表明，星係越大，其中心的黑洞就越大。並且，這些超級黑洞好像隻存在於橢圓狀星係的中心，而且星係中心有一個致密的恒星群突起，沒有中心突起的星係則沒有黑洞。銀河係有一個相對較小的中心突起，它有黑洞，但黑洞的質量隻有幾個太陽那麽大。不管黑洞很大，還是相對較小，從所觀測到的數據來看，黑洞的質量隻相當於星係中心突起部分質量的0．2％。

宇宙學家檢驗著這些證據，並越來越確信黑洞可能是形成它周圍星係的種子。在一個小組發現了三個超級黑洞後，小組的領導、密歇根大學的裏奇斯通於2000年1月說道：“不知何故，這些黑洞在決定它們的質量時，它們似乎知道它們所處的星係的質量；或者，當星係正在形成時，它知道它周圍黑洞的質量。”在量子層次上，人們早就認識到電子能知道彼此在做些什麽，但在星係尺度上發生這種情況同樣使宇宙學家感到既神秘又興奮。現在，這就是一個先有雞還是先有蛋式的爭論：是先有星係還是先有黑洞呢?有些科學家認為先有黑洞，另一些科學家則認為它們是交錯發展的。

回到1939年，奧本海默和斯奈德發表文章表明存在黑洞時，受到了其他宇宙學家的嘲笑。漸漸地，越來越多的科學家開始認為確實存在黑洞。但直到20世紀90年代後期，哈勃望遠鏡才開始清晰地觀測星係，確定黑洞的存在。然而，黑洞僅僅是剛剛開始透霹它們的秘密，與此同時它們又在增加新的秘密。它們是揭開宇宙如何工作之謎的鑰匙，在以後相當長的一段時間內，它們所帶來的答案會跟它們所產生的複雜問題一樣多。