宇宙“黑洞”的真面目
建一
天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到天体的区域，这种奇异天文现象的主要特征是：1、这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；2、它有很大的能量，可以发出极强的各类射线辐射；3、由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度很大的暗天体，美国物理学家惠勒给它取了一个有趣的名字“黑洞”。
在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？ 原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。
设想如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射）。当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象。因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证实它的存在。科学家通过哈勃望远镜上的高速光度计在1992年对天鹅座X-1的一批观察数据进行分析时，发现了两个迅速衰减并很快消失的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时释放辐射的特征正相符合。至于光线在“黑洞”附近会发生弯曲的现象，是因为光波本身就是一种频率很高的电磁波，光现象本质就是一种电磁现象，所以，光线在“黑洞”附近由于受其磁场引力作用而发生弯曲现象是很自然的。
宇宙中一切天体都不是孤立存在的、所有物质之间都有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的产生也不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要的环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是不可分割的整体，只要天体存在，它周围就一定有磁场存在。各类物质结构由于运动方向的不同，运动速度的差异，会产生无数大小不一、强弱不同的磁场旋涡，这种磁场旋涡就是神秘的“黑洞”。大的物质结构产生大的磁场旋涡，如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；小的物质结构产生小的磁场旋涡，如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。
自然界决定物质能量大小有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。由于磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”虽然构成物质密度很小，但因为它有极快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生很大的能量和极强的引力。宇宙中一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，受“黑洞”吸引力作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向其中心高速旋进，会形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”虽然不能直观地看到，但可以通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外有报道，哈勃望远镜已拍摄到“黑洞”周围边缘呈翘曲状的尘埃圆盘，这就更形象的证实了“黑洞”的旋涡性质和真实形态以及旋涡多呈漏斗状的特点。
其实宇宙中这些各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼可以观察到的许多自然涡流现象一样。如地球上大气运动产生的热带气旋--“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量非常大，而在空气涡流中心区域--“台风眼”，由于空气稀薄，压力相对较小，对周围产生很大吸引力，因此气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上可以清晰地看到“台风”的圆形旋涡状云团。还有江河湖海中的水涡流也是圆形旋涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”就像“台风”、“水流漩涡”这些可以直观的涡流现象，是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。“黑洞”中心是外界物质不易进入、有形物质极少的区域，所以，在“黑洞”的中心都是空白区域。因为它对周围物质的吸引力在各方向基本是均匀的，一般“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形旋涡状的。由于“黑洞”物质分布密度的不同，周围还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。
在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度不断增加，磁场旋涡范围会相应增大，能量和引力明显加强，又会吸引更多的物质，如此像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐步增强，到了一定程度便发展成为可以通过光学望远镜直接观察到的有形天体--“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多呈环状（环状星云），它的构成物质相对仍很稀薄，所以，形状非常模糊。随着“星云”体积不断膨胀，便开始了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。
宇宙中所有天体的存在形式和演变过程都是由自然规律所决定的，“黑洞”也不例外。一但我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在联系，包括“黑洞”在内的各种奇异天象便不难解释了。
1973年，霍金做出重大发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律，因为黑洞的熵虽然减小了，但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。到目前为止，自然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力，那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
为解决量子力学中的负能困难，狄拉克提出了"真空不空"的思想，在泡利不相容原理基础上克服了负能困难，并预言了正电子和反物质的存在。真空并不是一无所有的状态，而是能量最低的状态。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状态。量子力学的测不准关系告诉我们，任何可测量的实过程都必须满足测不准关系：粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不能小于一个很小的常数。也就是说凡是不满足不确定度关系的粒子都是无法观测到的，我们之所以看不到真空负能粒子海中的粒子就是因为它们不满足测不准关系。正电子，反质子，反中子等反粒子已相继被发现，又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应，都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们广泛接受。
延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程，真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭，真空并不平静，是一种非常热闹的状态。虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成，负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在，在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子可以在黑洞的视界内部长时间存在，这就导致了黑洞视界两侧的一种不对称，从而产生一种可观测的效应。当负能粒子落入黑洞，可以到达奇点使那里的质量减少。而正能粒子留在外面飞向远方。对于远处的观察者，他看到一个正能粒子飞过来，黑洞减少了相应的质量和电荷，因此他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的方法严格证明了这种辐射的存在。
对于施瓦西黑洞，温度与质量成反比，也就是说黑洞越小温度越高。常规黑洞温度很低，接近绝对零度，霍金等人认为宇宙中不止存在常规黑洞，在宇宙大爆炸初期会产生巨大的压力，在一些局部区域会将一些物质压缩为微型黑洞，这些黑洞迅速吸收周围的物质而长大，成为10亿吨级的小黑洞。这类黑洞的特点是温度高达一千亿度，辐射功率约一千万千瓦，相当于一个特大型发电站，不仅不黑，反而是最明亮的光源，半径只有质子大小，核子数约为10^39个，与基本粒子间静电力与万有引力之比大致相等。小黑洞的寿命大约是100亿年相当于宇宙年龄。也许只是巧合，也许隐含着深刻的道理。黑洞存在负的热容，温度越高放热越多，使质量减少，从而促进温度升高，放出更多的热量，形成雪崩效应，最终小黑洞会爆炸消失，小黑洞爆炸类似于宇宙大爆炸，研究小黑洞对天体演化这一课题意义重大。 |
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