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(gè)黑洞，它對地球和其他星球會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響呢？如果問一下每個(gè)人這個(gè)問題，包括小學(xué)生們，他們都會(huì)自信地回答，行星會(huì)被“吸進(jìn)去”。

現(xiàn)在我們做一個(gè)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(gè)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(huì)告訴你要趕快發(fā)動(dòng)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(gè)小秘密，這個(gè)秘密對理解相對論來說非常重要：黑洞不會(huì)吞噬物體。但如果太陽□成了一個(gè)黑洞，地球就會(huì)□得非常寒冷和黑暗。然而，如果我們假設(shè)這個(gè)黑洞的質(zhì)和太陽的質(zhì)量一樣大，地球的軌道幾乎不會(huì)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(huì)在飛船左方突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)黑洞。在旅行前，我們會(huì)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(huì)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(gè)黑洞的位置，那么當(dāng)你逐步接近黑洞時(shí)，它對你飛船的引力會(huì)不斷增加，所以它不會(huì)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(huì)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(shí)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(huì)想，如果黑洞不能吞噬東西的話，它們會(huì)做什么？

答案有兩個(gè)部分，一個(gè)看起來平淡無奇，另一個(gè)卻令人感到不可思議以至于你再也不會(huì)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?yàn)槿绻�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(shí)候，不會(huì)影響地球的運(yùn)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(shí)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(shí)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(gè)人都聽說過黑洞，但只有你明白愛因□□提出的基本觀點(diǎn)之后，才能了解什么是真正的黑洞。這本書的一個(gè)目的就是幫助你理解黑洞是什么。與此同時(shí)，還有第二個(gè)重要的目的。

在學(xué)習(xí)相對論的過程中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)日常生活中，關(guān)于時(shí)間和空間的概念，并不能準(zhǔn)確地反映宇宙現(xiàn)實(shí)�！踅K，你會(huì)意識到你是在一種充斥著錯(cuò)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(shí)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(shí)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(shí)間和空間的深刻含義，愛因□□是□□個(gè)了解這個(gè)事實(shí)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(jī)會(huì)體驗(yàn)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(huì)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(gè)黑洞

如果你要參觀一個(gè)黑洞，□□步需要找到這個(gè)黑洞。可能你會(huì)認(rèn)為這是一件很難的工作，因?yàn)椤昂诙础边@個(gè)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(shí)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(shí)，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(gè)例子，假如你觀察到一顆恒星很明顯地圍繞著另一個(gè)大質(zhì)量物體旋轉(zhuǎn)，而這個(gè)物體卻不像恒星會(huì)發(fā)光。根據(jù)可以用來解釋恒星運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的理論，這個(gè)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(shí)際上是巨大的氣體云。黑洞周圍的任何氣體□終都會(huì)繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楹诙大w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(dòng)的氣體往往具有很高的溫度，而高溫氣體會(huì)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(gè)致密的物體周圍發(fā)射著X射線，那么這個(gè)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?yàn)樗�位于天鵝座，是強(qiáng)X射線的發(fā)射源。天鵝座X-1是一個(gè)雙星系統(tǒng)，也就是兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)巨大的但看不見的物體運(yùn)行，以及這個(gè)物體周圍發(fā)射著X射線。 這兩個(gè)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(yùn)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(diǎn)，但目前的證據(jù)強(qiáng)烈表明天鵝座X-1確實(shí)包含一個(gè)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(shí)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(yùn)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?yàn)闆]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(gè)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(tuán)中心）。這些黑洞的起源至今仍然是一個(gè)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(gè)中心物體以非常高的速度運(yùn)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(gè)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(shí)驗(yàn)，你的旅程將會(huì)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(jì)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。