第一章 穿越黑洞的旅行

想象一下，有一天太陽神奇地坍縮，雖然保留了原來的質(zhì)量，但體積卻縮小了很多，成為了一個黑洞，它對地球和其他星球會產(chǎn)生怎樣的影響呢？如果問一下每個人這個問題，包括小學(xué)生們，他們都會自信地回答，行星會被“吸進(jìn)去”。

現(xiàn)在我們做一個設(shè)想，假設(shè)你是一位未來的星際旅行者。如果你突然發(fā)現(xiàn)一個黑洞潛伏在你的左邊，你該怎么做？問一問你周圍的人，他們都會告訴你要趕快發(fā)動引擎，離開那里，這樣你就能避免被吸進(jìn)去而徹底消失。

可是我要告訴你一個小秘密，這個秘密對理解相對論來說非常重要：黑洞不會吞噬物體。但如果太陽□成了一個黑洞，地球就會□得非常寒冷和黑暗。然而，如果我們假設(shè)這個黑洞的質(zhì)和太陽的質(zhì)量一樣大，地球的軌道幾乎不會受到任何的影響。

假設(shè)你是一位未來的星際旅行者……首先，你不會在飛船左方突然發(fā)現(xiàn)一個黑洞。在旅行前，我們會在地球上以各種方式提前找到黑洞的位置，如果有一天我們真的可以進(jìn)行星際旅行，就一定會提前在地圖上標(biāo)記好黑洞的位置。假設(shè)萬一在你的地圖上真的沒有標(biāo)明這個黑洞的位置，那么當(dāng)你逐步接近黑洞時，它對你飛船的引力會不斷增加，所以它不會突然出現(xiàn)在你的身邊。其次，除非你剛好直接朝著黑洞飛過去，否則，黑洞的引力會讓你繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，就和我們發(fā)射宇宙飛船（如旅行者號和新視野號）去外太陽系旅行時飛掠過木星一樣。

我知道這可能讓一些人感到非常失望，就像我上中學(xué)的女兒和我說的那樣，如果黑洞可以把周圍的東西吞噬進(jìn)去的話，是一件非�？岬氖虑� 。我只能在一定程度上來安撫她，“表現(xiàn)得很酷”和“可以吞噬東西”是兩回事。那么，你可能會想，如果黑洞不能吞噬東西的話，它們會做什么？

答案有兩個部分，一個看起來平淡無奇，另一個卻令人感到不可思議以至于你再也不會將它誤解為宇宙吸塵器了。它之所以讓我們感到平淡無奇是因為如果我們可以從遠(yuǎn)處觀察黑洞的話，黑洞的引力與太空中的其他任何物體的引力沒有什么不同。這就是為什么當(dāng)太陽□成黑洞的時候，不會影響地球的運行軌道，也是為什么宇宙飛船可以像繞著木星旋轉(zhuǎn)一樣繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)你開始接近黑洞的時候，就可以看出為什么黑洞讓人感到不可思議了。在那里，你可以看到時間和空間被戲劇性地扭曲，這也只能從愛因□□的相對論中找到解釋。

現(xiàn)在我們找到了問題的關(guān)鍵所在，我寫這本關(guān)于相對論的書，是從討論黑洞開始的，雖然幾乎每個人都聽說過黑洞，但只有你明白愛因□□提出的基本觀點之后，才能了解什么是真正的黑洞。這本書的一個目的就是幫助你理解黑洞是什么。與此同時，還有第二個重要的目的。

在學(xué)習(xí)相對論的過程中，你會發(fā)現(xiàn)日常生活中，關(guān)于時間和空間的概念，并不能準(zhǔn)確地反映宇宙現(xiàn)實�！踅K，你會意識到你是在一種充斥著錯誤常識的環(huán)境中長大的，這不能怪你。更確切地說，只有在極端情況下，時間和空間的本質(zhì)才能更確切地顯示出來，而我們不可能經(jīng)歷這種極端的情況。因而，這本書的真正目的是幫你區(qū)別現(xiàn)實和伴隨你成長的科幻小說之間的不同。在此過程中，需要考慮時間和空間的深刻含義，愛因□□是□□個了解這個事實的人。

首先，讓我們進(jìn)行一場想象中的黑洞之旅。這次旅行，將讓你有機會體驗在愛因□□思想□顯著影響下出現(xiàn)的兩種情況：在接近光速的速度下和在黑洞附近的極端引力下�，F(xiàn)在，我們思考一下你旅行中會遇到什么事情。先不解釋其中的原因，在之后的章節(jié)中，我們再去解釋。

選擇一個黑洞

如果你要參觀一個黑洞，□□步需要找到這個黑洞�？赡苣銜�認(rèn)為這是一件很難的工作，因為“黑洞”這個術(shù)語，意味著是在黑暗的太空中看不到的東西。這是有一定道理的。根據(jù)定義，任何光都逃逸不出黑洞，也就是說黑洞確實是肉眼看不到的黑色。不過，據(jù)我們所知，所有的黑洞質(zhì)量都相當(dāng)大，至少是太陽質(zhì)量的幾倍，有時，甚至?xí)�更大。因此，原則上可以通過它們對周圍環(huán)境的引力影響來探測它們。

有兩種基本的方式可以揭示黑洞的引力的影響。首先，可以通過受其引力影響的可見伴星的繞行軌跡來推測黑洞的存在。 舉個例子，假如你觀察到一顆恒星很明顯地圍繞著另一個大質(zhì)量物體旋轉(zhuǎn)，而這個物體卻不像恒星會發(fā)光。根據(jù)可以用來解釋恒星運轉(zhuǎn)軌道的理論，這個物體很有可能就是黑洞。

其次，黑洞的存在也可以通過其周圍氣體散發(fā)出來的光來揭示。盡管我們常常認(rèn)為太空完全是處于真空狀態(tài)的，但并不是這樣的。即使是在星際空間的□深處，你依然可以發(fā)現(xiàn)一些游離的原子。你在天文照片中看到的美麗的星云，實際上是巨大的氣體云。黑洞周圍的任何氣體□終都會繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。因為黑洞體積小，質(zhì)量大，離它□近的氣體，必定以很高的速度繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。高速移動的氣體往往具有很高的溫度，而高溫氣體會發(fā)出高能量的光，如紫外線和X射線。因此，如果你看到一個致密的物體周圍發(fā)射著X射線，那么這個物體很可能是黑洞。你可以在著名的天鵝座X-1黑洞的例子中，看到這兩種方法是如何協(xié)同工作的。該黑洞之所以得名，是因為它位于天鵝座，是強X射線的發(fā)射源。天鵝座X-1是一個雙星系統(tǒng)，也就是兩個大質(zhì)量物體互相環(huán)繞。大多數(shù)雙星系統(tǒng)都有兩顆恒星互相環(huán)繞，但在天鵝座X-1星系中，只能看到一

顆恒星。這顆恒星的軌道告訴我們，第二個物體一定比太陽的質(zhì)量重15倍，但無論采用任何方式都無法直接發(fā)現(xiàn)它。

此外，這顆可見恒星的溫度還不足以產(chǎn)生我們在該系統(tǒng)中觀察到的X射線，因而X射線一定來自第二個物體周圍的高溫氣體。我們現(xiàn)在掌握了尋找黑洞的兩條重要的線索。一顆恒星繞著一個巨大的但看不見的物體運行，以及這個物體周圍發(fā)射著X射線。 這兩個特征表明看不到的物體很小，周圍有非常熱的氣體圍繞它運行。當(dāng)然，在我們得出看不見的物體是黑洞這一結(jié)論之前，必須排除它是小而重的其他類型物體的可能性。我們將在第7章討論如何做到這一點，但目前的證據(jù)強烈表明天鵝座X-1確實包含一個黑洞。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道許多類似的系統(tǒng)，結(jié)合我們對恒星生命的了解，我們知道大多數(shù)黑洞是大質(zhì)量恒星（質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的10倍左右）死亡后的殘骸，這意味著它們已經(jīng)耗盡了在“活”恒星時期保持它們發(fā)光所需的燃料。以我們目前的技術(shù)，我們只能識別那些與天鵝座X-1中的黑洞一樣，在雙星系統(tǒng)中與仍然存活的恒星一起運行的黑洞。其他黑洞，包括那些曾經(jīng)是單一恒星的黑洞和雙星系統(tǒng)中兩顆恒星均早已死亡而形成的黑洞，更加難以探測到，因為沒有存活的恒星的軌道可以被我們探測到。另一方面這些黑洞周圍的氣體稀少，很難形成人類可探測的X射線。這些黑洞的數(shù)量肯定比我們目前所能探測到的要多得多。我們做出這樣的假設(shè)，在你們準(zhǔn)備好穿越黑洞的旅行之后，就可以找到更多黑洞。

除了由單個恒星死亡之后的殘骸形成黑洞，還有另一類更為壯觀的位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞（在某種情況下，這種黑洞位于稠密的星團中心）。這些黑洞的起源至今仍然是一個謎，然而它們龐大的質(zhì)量相對來說更容易辨認(rèn)。比如， 在我們銀河系的中心，我們觀察到恒星圍繞著一個中心物體以非常高的速度運行，中心物體質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400萬倍，然而其直徑并不比我們太陽系的直徑大多少。只有黑洞才可以解釋為何這么小的空間里可以容納這么大的質(zhì)量。其他大多數(shù)星系中心似乎也有超大質(zhì)量的黑洞。在□極端的情況下，這些黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)十億倍。

有了這些黑洞位置的基本情況，我們準(zhǔn)備為你的旅行選擇一個目標(biāo)。原則上，我們可以選擇任何黑洞，但如果我們選擇距離較近、周圍沒有太多氣體干擾的黑洞來開展我們的實驗，你的旅程將會更順利。雖然，我們無法確定這樣的黑洞是否存在，但從統(tǒng)計學(xué)上來講，它很有可能存在于距離地球□5光年的范圍內(nèi)。因而，我們發(fā)揮一下我們的想象力，來一次距離地球□5光年遠(yuǎn)的旅行。