1700906922
因此，关于天鹅 X-l 中存在黑洞的证据，有一系列相当长的推理过程。它既涉及观测细节，也用到理论模型。这也正是近年来许多天文学研究的典型特点。任何单一的证据不能令人信服，但是把对于天鹅 X-1 和许多其他类似系统的各种研究综合起来考虑，便有力地说明了黑洞存在的可能性。可以肯定地说，黑洞解释是最简洁也是最自然的。
1700906923
1700906924
对于更大黑洞的活动，可以预期会出现更为壮观的效应。现在看来，许多星系的核心很可能包含超大质量黑洞，其证据是在这些星系核中观测到恒星在很快地运动，并且明显趋向一个有很强引力作用的高度致密天体。对这种天体质量的估计表明，它们可能包含了相当于 1000 万到 10 亿个太阳的物质，这么大的质量使它们对任何漂泊到附近的物质有一种贪婪的吞食本能。恒星、行星、气体和尘埃都可能为这类怪物所捕获。物质下落过程有时很可能非常激烈，以致会改变星系的整体结构。天文学家对各种各样活动星系核十分熟悉。有些星系的外貌确确实实呈现有爆发活动，许多活动星系是强射电源、强 X 射线源，或其他能量形式的强源。最与众不同的是一类具有巨大气体喷流的活动星系，喷流可长达数千甚至几百万光年。某些这类天体的能量输出之大简直令人难以置信。所谓类星体（或者说类似恒星状的天体）是一些极其致密的天体，直径可能只有 1 光年，所以它们看上去像是一些恒星，但所发出的辐射能却与数以千计的普通星系的辐射一样多。
1700906925
1700906926
许多天文学家相信，这类受到严重扰乱的天体的中央发动机是一些巨大的旋转黑洞，它们正在摄取附近的物质。任何一颗恒星只要靠近黑洞，就很可能首先为黑洞的引力所撕裂，或者因与其他恒星发生碰撞而碎裂。这些被撕裂的物质可能形成一个热气体盘，它绕着黑洞旋转，并慢慢地向内沉落，这跟天鹅 X-1 的情况一样，只是尺度要大得多。于是，随着物质的内沉，大量的引力能沿黑洞的自转轴方向释放出来，从而产生一对方向彼此相反的喷流。这种能量释放机制和喷流的形成可能是很复杂的，它们不仅涉及引力，还涉及电磁力、粘滞力和其他一些力的作用。这一领域一直是理论和观测工作的重点研究课题。
1700906927
1700906928
银河系又会怎样呢？是不是我们的银河系也会以这种方式遭到破坏呢？银河系中心位于人马座，离开我们有 30000 光年之远。它的内区被大量的气体尘埃云所遮蔽，但是利用射电、X 射线、γ 射线和红外辐射探测器，天文学家已经能够识辨出在那儿有一个高度致密而又蕴藏巨大能量的天体，称为人马 A* 。尽管人马 A* 的尺度不会超过几十亿公里（按天文标准，这是很小的），但却是银河系中最强的射电源。它的位置与一个很强的红外源相重合，而且同一个 X 射线天体靠得很近。虽然情况十分复杂，但那里隐藏着一个黑洞的可能性看来正在增大，而且用它至少可以解释若干观测现象。不过这个黑洞的质量可能不大于 1000 万倍太阳质量，正好处于超大质量范围的下限。没有任何证据表明它有其他某些星系核中所出现的那种大规模的能量发射和物质抛射的现象，但这也可能是由于这个黑洞目前正处于相对平静阶段。未来的某个阶段，也许在接收到更多的补充气体后，它可能会被激活。如果是这样的话，银河系核会变成激烈活动的星系核，虽然它不大可能会像我们所知道的其他许多星系那样道到严重破坏。现在还不清楚这种激活对位于银河系旋臂上的恒星和行星会有什么样的影响。
1700906929
1700906930
只要附近还有物质供应给它，黑洞就会继续释放被吞食物质的质量能。随着几十亿年时光的流逝，越来越多的物质被黑洞所吞食，结果使黑洞变得更大，食欲更旺盛。这种魔鬼般的黑洞会通过其强大的引力场使偶尔靠近的天体快速地吞噬入其空腹之中，而且由于引力辐射，一种极其微弱但最终起决定性作用的引力过程，最终也会使在很远的轨道上绕其旋转的恒星难逃厄运。
1700906931
1700906932
在 1915 年提出广义相对论后不久，爱因斯坦发现引力场有一个引人注目的特性，即这些引力场方程预言存在具有波动性质的引力振荡，它们的传播速度就是真空中的光速。这种引力辐射使人想起电磁辐射，如光波和无线电波。不过，尽管引力辐射可以携带很多能量，但在物质作用的程度上它不同于电磁辐射。无线电波很容易被像金属丝网那样的小巧结构所吸收，而引力波的作用则非常微弱，它可以畅通无阻地穿过地球而几乎毫无损耗。如果能做成一个引力激光器则需要 1 万亿千瓦的射束才能煮沸一壶水，效率只相当于 1000 瓦的电热丝。引力辐射是相当微弱的，究其原因在于事实上引力是自然界内各种已知力中最最微弱的一种。例如，原子中引力与电力之比约为 10-40 。我们之所以会注意到引力的唯一原因完全在于它的累积效应。因此，它对行星这种较大天体起着决定性的作用。
1700906933
1700906934
引力波的效应是极其微弱的，它们的产物也毫不显眼。原则上说，只要质量受到扰动，就会产生引力波。例如，地球绕太阳的运动会发射出一系列连续的引力波并进入银河系，但输出的总功率仅有 1 毫瓦。这份能量损耗会造成地球轨道的减小，但减小的速率慢得出奇：每 10 年大约减小 1000 万亿分之一厘米。
1700906935
1700906936
但是，对于以接近光速运动的大质量天体来说，情况便截然不同了。有两种现象可能导致重要的引力辐射效应。一种是突发性的激烈活动事件，如超新星爆发。或恒星坍缩形成黑洞。这类事件的结果是发射短暂的脉冲式引力辐射，也许只能持续几个微秒，但通常会携带 1044 焦耳能量（与太阳所输出的热量相比，后者约为每秒 3×1026 焦耳）。另一种是大质量天体彼此作高速互绕转动时的那种比较慢也比较规则的运动。例如，一对密近双星会产生大流量的引力辐射。如果其中的两颗恒星是坍缩天体，如中子星或黑洞，那么这一过程便特别有效。天鹰座里有两颗作互绕轨道运动的中子星，相距仅为几百万公里。它们的引力场极强，每转动一周所需要的时间还不到 8 个小时，因此这两颗恒星的运动速度同光速相比也是相当可观的。这种非同寻常的奔跑极大地放大了引力波的发射率，结果，轨道的每年减小量便可以测量出来（运动周期约改变 75 微秒）。随着这两颗恒星向内盘旋接近，发射率将逐步上升，这就注定它们在 3 亿年后会彼此相撞。
1700906937
1700906938
天文学家估计，每个星系大约每 10 万年发生一次这类双星系统的合并事件。这种天体密度非常大，引力场极强。在恒星碰撞前的最后时刻，它们将以每秒几千圈的速度互绕转动，同时引力波的频率则急剧升高，并发出持有的吱吱声。爱因斯坦的公式预言，引力的输出功率在这最后阶段中将是异常惊人的，而且轨道会迅速坍缩。恒星的形状会因彼此间的引力牵拉而严重变形，因而在接触前的瞬刻，它们看上去就像一根急剧旋转的巨型雪茄。最后的合并将是乱糟糟的，两颗恒星并合成一个复杂而疯狂跳动的团块，它会发出大量的引力辐射，到它安定下来之时已大致成为球形。这个球就像一个怪铃，以一种特殊的振动方式摇晃、颤动。这种振荡也会产生引力辐射，这样就会进一步消耗天体的能量，直至它最后安宁下来，变成毫无生气的天体。
1700906939
1700906940
虽然引力辐射过程相对来说是缓慢的，但很可能对宇宙的结构具有深远的长期效应。因此，科学家们力图通过观测来证实他们关于引力辐射的思想，而这一点是极为重要的。对天鹰座中那个双中子星系统的研究表明，它们的轨道正在减小，而减小的速率恰好与爱因斯坦理论的预言相一致。因此，这个系统提供了发射引力辐射的直接证据。但是，更具有决定性意义的试验要求在地球上的实验室里探测到这种辐射。许多研究小组已建造一些设备用以记录引力波爆发那稍纵即逝的信息，但到目前为止所有这类装置都不够灵敏，无法探测到引力辐射；很可能我们只有在新一代探测器诞生之后才能完全证实引力波的存在。
1700906941
1700906942
两颗中子星的合并可能会产生一颗更大的中子星或者一个黑洞。一颗中子星和一个黑洞的合并，或两个黑洞的合并，则必定产生一个黑洞，这一过程同样会伴有引力波能量损失，接着是复杂的振颤或运动，而这种运动会因引力波能的损失而慢慢地衰减下去。
1700906943
1700906944
探讨两个黑洞合并时所释放的引力能的理论极限是很有意义的。在 70 年代早期，罗杰·彭罗斯( Roger Penrose )、霍金、勃朗顿·卡特( Brandon Carter )、雷莫·鲁菲尼( Remo Ruffini )、拉里·斯玛尔( Larry Smarr )和其他一些人已经完成了有关这些过程的理论工作。如果两个黑洞有相同的质量，并且无旋转，那么能释放出大约 29% 的总静止质量能。如果以某种方式对这两个黑洞加以巧妙的处理，那么这些能量不一定完全以引力辐射的形式出现。但是，对于自然并合体，大部分能量就应当以这种极其难以察觉的形式释放出来。如果黑洞以物理定律所允许的最大速度（粗略地说就是光速）在自转，而且以反向旋转的方式沿着它们的自旋轴并合，那么就会有 50% 的质量能发射出来。
1700906945
1700906946
即使有这么大的比例也还不是理论极限。可能存在带电荷的黑洞。一个带电黑洞既有电场又有引力场，两者都可以储存能量。如果一个带正电的黑洞遇上另一个带负电的黑洞，就会发生“放电”，在这一过程中所释放的不仅有引力能而且还有电磁能。
1700906947
1700906948
事实上，给定尺度（或质量）的黑洞只能携带不超过某个极大值的电荷量，因此这种放电存在某个极限。对无自转黑洞，这个极大值可由如下的考虑来决定。设想有两个带有等量电荷的相同黑洞，黑洞的引力场会在它们之间产生吸力，而电场则产生斥力（类似于电荷相斥）。当荷质比达到某个临界值时，这两种相反的力恰好平衡，于是在两个黑洞之间便不存在净力。正是这个条件决定了黑洞可以包含的极限电荷量。你也许不知道，如果设法增加黑洞的电荷使之超过这个极大值，将会发生什么情况。要做到这一点的一种途径是强迫更多的电荷注入黑洞。这种做法会起到增加电荷的作用，但为克服电斥力做功就要施加能量，这份能使传递给了黑洞。因为质能相当（记住 E ＝Mc2 ），黑洞的质量就增大，体积也随之变大。简单的计算表明，在这一过程中质量的增加要比电荷增加得更多，结果荷质比实际上减少，而企图超过这个极限的努力终告失败。
1700906949
1700906950
带电黑洞的电场对黑洞的总质量是有贡献的。对携带最大允许电量的黑洞来说，电场代表了一半质量。如果两个无自转黑洞都带有极大电荷，但电荷的符号相反，那么它们彼此间存在两种吸引力：引力吸引和电磁吸引。当它们并合时，电荷中和，而电能就能被提取出来。理论上说，它能达到这种系统总质量能的 50% 。
1700906951
1700906952
如果两个黑洞都在自转，并带有极大相反电荷．那么所提取的能量便达到绝对上限。这时，总质量能的三分之二可以释放出来，这个比例是很高的。当然，这种数值只有理论上的意义，因为实际上黑洞不可能携带大量的电荷，两个黑洞也不可能以这种最佳方式并合，除非有一个技术发达的社会能对它们实施巧妙的人为控制。然而，即使两个黑洞的低效率合并也可能把这两个天体总质量能的可观部分几乎在瞬息之间释放出来。在它好几十亿年的生涯中，恒星依靠核燃烧大约释发了百分之一的质量，相比之下可谓微不足道。
1700906953
1700906954
这些引力过程的意义在于，在恒星的核燃烧结束后，它的死亡之旅仍是漫漫无期的。作为一个坍缩后的残骸，它还有潜力通过引力释放能量，而且远远超过当它还是个灼热气体球时由热核过程所放出的能量。当这个事实大约在 20 年前被人们认识之时，物理学家约翰·惠勒（ John wheeler ，他是最早提出“黑洞”这个词的人）设想有那么一个文明世界，由于它们对能量的需求不断增加，结果便放弃了自己的恒星，并在一个自转黑洞周围安居下来。每天，这个社会的废物被装上载重卡车，并通过一条经仔细计算过的弹道送往那个黑桐。在接近黑洞时，卡车上的废物就卸下来倒入黑洞。通过这种方式，废物便一劳永逸地处理掉了。下落的废物沿着与黑洞自转方向相反的路径飞行，它会影响黑洞的自转，使自转速率稍稍减慢。于是，黑洞的自转能就释放出来，而文明世界便可以利用它为自己的工业提供能源。因此，这个过程具有彻底销毁一切废物并把它们完全转变成能量两大优点！文明世界可以在需要的时候通过这种方式，从死亡之星获取能量，而且能量的供应要比恒星在核燃烧阶段所发出的大得多。
1700906955
1700906956
虽然利用黑洞能是一种科学幻想，但是，许多物质将会在黑洞内自然地寿终正寝。它们可以是坍缩恒星的一部分，也可以是偶然相遇而被吞食的碎片。凡是在我作黑洞讲演的时候，人们老是要问进入黑洞的东西会发生什么情况。简单的答复是：我们不知道。老实说，我们对黑洞的认识几乎完全基于理论考虑和数学模型。事实上，按黑洞的定义，即使我们非常靠近黑洞来进行观测（这是做不到的），我们不能从外部世界观测到黑洞的内部，也永远不可能知道它里面发生什么情况。然而，首先用来预言黑洞存在的相对论，也可以用来预言宇航员在掉进黑洞时的经历。下面便是这种理论推测的大致情况。
1700906957
1700906958
黑洞的表面实际上只是一种数学图象，那里没有真正的一层“膜”，而只是一无所有的空间。那位下落中的宇航员在进入黑洞时，看不到任何在物理学意义上特别与众不同的情景。但是，这个表面确实有着某种引人注目的物理学含义。黑洞内部的引力非常强，能俘获光，也就是把向外跑的光子重新拉回来，这意味着光无法逃离黑洞。黑洞之所以从外面看上去是黑的就是这个原因。因为没有一种物体或者信息可以比光跑得更快，所以任何东西一旦进入黑洞就没法逃出去。黑洞内所发生的事件对外部观测者来说永远是个秘密。因此，黑洞的表面被称作“事件视界”，因为它把从远处可以目睹的外部事件与不可目睹的内部事件分隔开来了。但是，这个效应仅是事情的一个方面。当宇航员进入事件视界以内的区域，他仍然可以看到外部世界，尽管在外面的任何入永远也不能再见到他。
1700906959
1700906960
当宇航员越来越深入黑洞时，引力场变得更强了。有一种效应使他的身体变形。如果他下落时脚在前面，那么他的双脚就比他的头更接近黑洞中心，因而脚所处的引力更强些。结果、他的脚所受到的往下拉的力会比头部更利害，这样一来他就拉长了。与此同时，他的双肩会沿着向中心会聚的方向拉向黑洞中心，所以他的两边便要受到侧向的挤压。这种拉长和挤压的过程有时称作拉面过程( Spagehitiffication )。
1700906961
1700906962
理论研究表明，在黑洞中心引力的增强是没有上限的。因为引力场表现为时空的弯曲，或者说翘曲，所以随着引力的不断增强，时空扭曲也就无止境地越来越利害。数学家把这种特征称作时空奇点。它代表空间相时间的边界（或者说边缘），穿过这个边界，正常的时空概念不再连续。许多物理学家相信，黑洞内的这个时空奇点名副其实地代表了空间和时间的终结，与它相遇的任何物质将会完全湮没。如果情况确实如此，那么组成宇航员身体的原子其至会在 1 纳秒的超级拉面过程中在这个奇点内化为乌有。
1700906963
1700906964
要是黑洞的质量为 1000 万个太阳质量，即与银河系中心可能存在的黑洞质量差不多，那么，这位宇航员从事件视界向湮没奇点下落所经历的时间大约为 3 分钟。这最后的 3 分钟会是很不舒服的。实际上，早在到达奇点之前，拉面过程就已把这个不幸的人杀死了。在这最后阶段，他是无论如何也见不到那个即将完全毁灭他的奇点的，因为光不可能从奇点逃逐出来。只有一个太阳质量的黑洞其直径大约为 1 公里，对于这样黑洞，从事件视界到奇点的旅程只需要几微秒。
1700906965
1700906966
虽然从这位下落宇航员的参考系来看，毁灭前的时间只是一瞬间，但从远处来看，黑洞的时间扭曲使得宇航员最后的旅程表现为一种慢动作。当宇航员接近事件视界时，在他附近事件发生的过程对遥远的观测者来说似乎变得越来越慢。事实上，宇航员似乎必须要经过无限长的时间才能到达事件视界。所以，宇航员仅仅在一阵疾驰中便经历了相当于外部宇宙中无穷无尽的时间，就这个意义上说，黑洞是通往宇宙尽头的门槛，是一条宇宙死胡同，它代表了再也没有通路的最终实体。黑洞是包含了时间尽头的狭小空间区域。谁要是对宇宙尽头感到好奇的话，只要跳进一个黑洞就可以得到亲身体验了。
1700906967
1700906968
虽然引力是自然界最微弱的力，但是它在不知不觉中累积起来的作用不仅决定了单个天体，而且也决定了整个宇宙的最终命运。压碎恒星的那种残酷无情的吸引力，同样作用在尺度要比恒星大得多的整个宇宙上。这种万有引力的结局完全取决于产生引力的物质总量。为此，我们必须称出宇宙的重量。
1700906969
1700906970
1700906971
[
上一页 ]
[ :1.700906922e+09 ]
[
下一页 ]