深入宇宙 探寻黑洞(图)

　　1915年，爱因斯坦把牛顿的万有引力定律发展成广义相对论。新理论认为，万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现。发表广义相对论时，爱因斯坦提出了检验这一理论的3个观测实验，即引力红移、光线偏折和行星轨道近日点的进动。随之而来的天文观测支持了爱因斯坦的新理论，广义相对论很快站住了脚跟。

　　20世纪20年代到30年代，爱因斯坦等人把广义相对论应用于宇宙学的研究。爱因斯坦本人提出一个有限无边的静态宇宙模型，即认为宇宙中物质是均匀分布的，宇宙不随时间变化，三维空间是有限无边的。弗利德曼和勒梅特等人则从广义相对论得到膨胀宇宙模型，伽莫夫等人又把它发展为大爆炸模型。爱因斯坦最初拒绝膨胀模型，然而天文观测发现遥远的星系普遍存在红移，离我们越远的星系红移越大(哈勃定律)。人们很快认识到这是一种多普勒效应，表明宇宙中的星系都在相互远离。这一观测事实有力地支持了膨胀宇宙模型，爱因斯坦不得不放弃了静态宇宙模型。

　　整个20世纪40年代和50年代，没有发现与相对论有关的重要天文现象，广义相对论研究停滞不前。著名粒子物理学家费曼在参加了1962年于华沙举行的广义相对论研讨会后，十分失望，他忍不住在给妻子的信中写下了如下的感想：

　　“我没有从会上获得任何东西。我什么也没有学到。因为没有实验，这是一个没有活力的领域，几乎没有一个顶尖的人物来做工作。结果是一群笨蛋(126个)到这儿来了，这对我的血压很不好。以后记着提醒我再不要参加任何有关引力的会议了。”

　　不过，天文观测的进展很快改变了上述情况。20世纪60年代先后发现了类星体、中子星和微波背景辐射，使得宇宙学和黑洞研究取得重大进展。60年代之后，大爆炸宇宙模型发展为暴胀模型。最近又通过超新星观测数据的精细分析，发现宇宙正处在加速膨胀之中，于是各种暗物质、暗能量理论应运而生，推动广义相对论基本理论的研究走向高潮。

　　从20世纪60年代到80年代，黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体，什么东西都可以掉进去，但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。

　　20世纪80年代以后，黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道，黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息，这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为，虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息，但这些信息并没有从宇宙中消失，只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后，人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射，而热辐射几乎不带出任何信息。这样，形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失，信息不再守恒，不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立，量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难，物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒，坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之，信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破坏。为此，霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。

　　2004年7月，霍金的态度来了个180度转弯，表示自己原来的观点错了，信息应该守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过，霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算，他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲，不明白自己为什么赢了。目前，这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。

　　黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身，它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性，而且掀开了探讨时间性质的新篇章。

　　黑洞内部有一个奇点，那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点，那是时间开始的地方。彭若斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”，该定理表明，任何一个真实的时空都一定存在奇点，即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束，原本是哲学家和神学家议论的话题，现在经过对黑洞和宇宙的研究，这一话题被纳入了物理学的领域。

　　1985年的一本与黑洞和虫洞有关的科幻小说，诱发了人们对时空隧道与时间机器的探讨。这一神乎其神的科幻内容居然进入了物理学的研究领域。索恩等相对论专家用量子宇宙学探讨了时空隧道存在的物理条件以及制造时间机器的可能性。

　　我们看到，对黑洞的理论研究已经十分深入而且十分有趣。然而，科学家至今没有在宇宙中确认出一个黑洞。到底有没有黑洞存在？如果没有，我们的理论研究不就全都告吹了吗？实验观测是科学理论的基础和源泉，因此，在宇宙中搜寻黑洞成为当务之急。值得庆幸的是科学家已经注意到了一些可能与黑洞有关的重要天文现象，找到了若干黑洞的候选者。大多数天体物理学家推测，在类星体、活动星系核和普通星系的中心(包括我们的银河系的中心)，都可能存在着特大质量黑洞，此外，宇宙中还可能存在着与恒星质量差不多的较小的黑洞。

　　弗尔维奥·梅利亚教授的《无限远的边缘——宇宙中的特大质量黑洞》一书以优美的文笔告诉我们大量的关于宇宙中黑洞的知识，告诉我们许多可能与黑洞存在有关的天文现象，包括黑洞吸积、喷流、星系碰撞、黑洞相互碰撞等有趣内容。书中还有许多精美的天文照片以及电脑模拟碰撞的彩图。该书与《时间简史》等书不同，霍金等人的书是从物理角度介绍相对论和黑洞的，而这本引人入胜的书是从天文观测的角度来诠释相对论和黑洞的。这本书可以激发读者对自然科学的兴趣，激发青年学生的学习动力，加深读者对相对论、黑洞和宇宙的了解。相信这本书一定会给读者带来知识与欢乐。