黑洞和白洞

第四节　黑洞和白洞

一、恒星的一生

星系中有一种是“超新星遗迹”，它是重质量恒星生命末期爆发的一种现象。恒星以这种绚烂的方式结束漫长的一生，重新化归宇宙尘埃和气体。待到一定时间后，这些尘埃和气体又会组成新的恒星，如此循环往复，宇宙生生不息。

天文学家建立的恒星演化过程理论模型大体如此。宇宙中的星际物质形成一片一片的星云，这些星际物质的成分主要是氢、氦等，星际物质受到引力作用，慢慢地聚集在一起，同时温度也渐渐升高。温度越高，原子与分子运动的速度也越快，这种倾向抗衡了坍缩的继续进行，有时甚至能把弥漫天体打散。但是，坍缩最终会使这些星际物质变成恒星。

恒星的一生如人类的一生一样，经历四个时期：恒星的诞生（新生儿与婴儿期）、主序带恒星的演化（青年与壮年期）、后主序带恒星的演化（老年期）、恒星的归宿（死亡），直到下一个诞生的来临。

宇宙中的恒星数以万亿计，大小形状各不相同，导致它们的生命结局也不一样。和太阳大小类似的恒星属于恒星家族中的中小号成员，这种质量的恒星演化到生命的末期，会变成一个白矮星，例如昴宿星团中的白矮星，默默地发光，逐渐变得黯淡无光，最后成为一个死掉的星球。而另一些比太阳质量大得多的恒星，称为“重质量恒星”，它们的结局更激烈。质量越大，引力越大，恒星释放的能量更多更快，所以重质量恒星的寿命一般比小恒星要短得多。在生命的末期，引力越来越大，恒星内部不再有核融合反应，无法释放能量以抵御引力引起的外部坍缩，所以只能不断地往内收缩。收缩到再也无法收缩的时候，组成星球元素的那些原子会受到不断挤压。原子内的电子被挤压到原子核中，与原子核内带正电的质子形成中子，整个星球将经历“超新星爆炸”，将恒星本身炸碎，在中心残留下一颗中子星。如果坍缩还在继续，中子星又将会怎么样呢？对此问题科学家很伤脑筋，只能用“重力完全坍缩的星球”这样的描述性词语来指代这种现象。

白矮星

二、黑 洞

1967年，美国著名物理学家惠勒提出“黑洞”一词，以此代替先前的“重力完全坍缩的星球”的表达方式，为解释宇宙中重质量恒星坍缩创造了一个简洁、贴切、概括性的词汇。“黑洞无毛”（ablackholehasnohair）是惠勒著名的提法，他表达的是一个天体在形成黑洞的引力坍缩过程中，只能给外部的观测者保留下很少的表征黑洞物理特性的信息。几十年来，人们延续惠勒的说法，黑洞成为了天文物理学中最引人注目的研究目标。

计算机生成的黑洞图像

（一）黑洞不是“黑”“洞”

黑洞不是“洞”，而是一种特殊的天体，它的引力场足够强大，以至任何物体甚至光都无法从其表面逃逸。当恒星耗尽所有的核燃料后，它的核心将不可避免地坍缩下去，形成致密天体——白矮星和中子星。若剩余的内核区域质量大于3个太阳质量，则中子星内部的压力无法抵抗引力，将继续坍缩，形成黑洞。

黑洞并非真的黑，而是由于它的结构太过致密了，因而吸收了所有的光，使其无法反射出来，我们眼睛接收不到它的光，才导致它变得“黑”。既然黑洞不发光，一般的观测仪器就很难发现它。迄今为止，对那些单独的黑洞，天文学家仍然想不出什么好方法去发现。

（二）黑洞的性质

广义相对论认为，物质的引力可以使它周围的时空弯曲，天体的密度越高，它周围时空弯曲的程度就越大。黑洞周围时空的弯曲程度最大，在它周围有一个封闭的视界。质量与太阳相等的黑洞，视界半径约为3千米。视界是一个假象的表面，在这个表面上逃逸速度等于光在真空中的传播速度。在视界内，逃逸速度大于光速。由于没有任何物体的运动速度可以超过光速，包括光在内的任何物质一旦落入视界之内，都无法向外逃脱——落向黑洞的所有物质永远地从可见宇宙中消失了。黑洞的形成使时空分成由视界隔离的两个部分，物质和辐射可以由视界之外进入其内，但不能反过来，这就是黑洞名称的由来。人们可能永远无法知道黑洞的内部到底是什么样子。

黑洞对形成它的前身——星际物质所具有的复杂性质几乎没有任何“记忆”，只有质量、电荷和角动量三个参量可以描述黑洞。现实存在的黑洞大概应该是有自旋、无电荷的，但也不能完全排除有自旋、有电荷，无自旋、无电荷，以及无自旋有电荷的黑洞存在的可能性。对于有自旋的黑洞，视界不是一个球面，而是一个赤道区凸起的椭圆球面。

（三）黑洞的观测

理论预言，宇宙中存在各种大小、各种质量的黑洞，既有体积仅相当于一个基本粒子的微型黑洞，又有直径为几千米的恒星级黑洞，以及尺度与太阳系相仿的巨型黑洞，后者的质量可达普通恒星的几亿倍。1939年，美国物理学家奥本海默等人根据广义相对论预言了黑洞的存在。尽管这种极端致密的天体尚未被最终确认，但已有不少有力的证据表明黑洞的存在。

黑洞是通往另一个宇宙的入口么

有两类高能辐射源可能是寻找黑洞的最佳场所，一类是X射线双星源，另一类是活动星系核及类星体。

X射线双星是一个双星系统，其中在光学波段观测不到的致密子星发出很强的X射线辐射。对它们的发现和研究主要有赖于X射线空间卫星。在更大的空间尺度上，一些活动性极强的星系，如赛弗特星系、蝎虎天体和类星体等在从射电（天体发出的无线电波）到X射线、γ射线的全波段范围内发射远远超过正常星系的能量。

活动星系核是黑洞存在的另一个可能区域。这里的物理过程和X射线双星情形相似，物质在落向黑洞的过程中被加热并产生辐射。活动星系核中的黑洞质量达上千万倍到10亿倍太阳质量。一个典型的类星体每年要吸收几倍太阳质量的气体，这些气体主要来自黑洞附近由于高速碰撞或被黑洞引潮力瓦解的恒星残骸。在椭圆星系M87的核心可能就有一个质量约为10¹⁰太阳质量的大黑洞。银河系中心附近的恒星绕银心高速转动，由此估计在银河系中心存在一个质量为260万倍太阳质量的黑洞。

大质量恒星的坍缩或黑洞吸收过程都可以产生引力波。如果探测器足够灵敏，就能监测出宇宙中的引力波信号，这将成为直接探测黑洞的手段。2004年，天文学家通过“钱德拉”天文望远镜和欧洲的“XMM牛顿”X射线空间望远镜，首次观测到恒星被黑洞肢解的情景，这一特殊的天文现象在一个星系中发生的概率为1万年1次。

三、白 洞

白洞与黑洞一样，是物理学家根据广义相对论预言的产物，在物理学界和天文学界，将白洞定义为一种致密物体，性质与黑洞完全相反，其内部的物质（包括辐射）可以经过边界发射到外面去，而边界外的物质却不能落到白洞里面来。因此，白洞更像是一个喷泉，不断向外喷射物质（能量），由于具有和黑洞完全相反的性质，所以被称做白洞。但是，迄今为止，它还只是理论上存在，天文学家还没有任何证据表明白洞的存在。

白洞模拟示意图

（一）白洞的性质

白洞和黑洞一样，也有一个视界，不过和黑洞不一样的是，白洞的时空曲率是负无穷大的，也就是说，在这里，白洞对外界的斥力达到无穷大，即使是光笔直向白洞的奇点冲去，它也会在白洞的视界上完全停止住，不可能进入白洞一步。简单地说，白洞可以被看作是时间呈现反转的黑洞，进入黑洞的物质，最后会从白洞出来，出现在另外一个宇宙。白洞学说主要是用于解释一些高能天体现象。

白洞可以根据是否旋转、是否带有电荷来分类，但是理论物理学家们认为，白洞无穷大的斥力会迫使其不带任何电荷，因为电荷很容易就被赶到了视界外，而旋转也被认为是不可能的。

（二）白洞形成之谜

关于白洞是怎样形成的，目前科学家们持有两种不同的见解。

一种得到多数天文学家赞同的观点认为，当宇宙诞生的那一时刻，即当宇宙由密度极高、温度极高的原始状态开始大爆炸时，由于爆炸的不完全和不均匀，可能会遗留下一些超高密度的物质暂时尚未爆炸，而是要再等待一定的时间以后才开始膨胀和爆炸。这些遗留下来的致密物质即成为新的局部膨胀的核心，也就是白洞。而这些遗留下来的致密物质核心的爆炸时间有些可能已经延迟了大约100亿年或200亿年。现如今，它们的爆炸，导致了我们今天所观测到的宇宙中各种高能天体物理现象，为此，白洞又有“延迟核”之称。按照延迟核理论，100亿年或200亿年之前，我们的宇宙就是一个巨大的白洞。

白洞模拟图

另一种观点认为，白洞可直接由黑洞转变而来，白洞中的超高密度物质是由引力坍缩形成黑洞时获得的。传统的黑洞理论认为，黑洞只有绝对的吸引力而不向外界发射任何物质和辐射。20世纪70年代，英国天体物理学家霍金根据广义相对论和量子力学理论，对黑洞作了进一步的研究，并对传统的黑洞理论作了重大的修正。霍金认为，黑洞具有一定的温度，会以类似于热辐射的方式稳定地向外发射各种粒子，这就是所谓的“自发蒸发”。黑洞的蒸发速度与黑洞的质量有关，质量越大，温度越低，蒸发得越慢；反之，质量越小，温度越高，蒸发得越快。黑洞的蒸发使其质量减小，从而使温度升高，这样又促使自发蒸发进一步加剧。如此下去，黑洞的蒸发便会越演越烈，最后以一种“反坍缩”式的猛烈爆发而告终。这个过程正好就是不断向外喷射物质的白洞。这一见解轰动了科学界，霍金也因此获得了1978年的爱因斯坦奖。目前，这种白洞是由黑洞直接转变过来的观点，也越来越引起各国科学家们的关注。

（三）白洞与黑洞的关系

白洞与黑洞是相辅相成的，是对立统一的。同济大学沈葹在《黑洞、白洞交相衬映》一文中对黑洞与白洞的相互关系提出了如下的观点：

第一，黑洞是宇宙间吸引的一种极端现象和形式，它的直接结果是大坍缩；与之相反，白洞则是宇宙间排斥的一种极端现象和形式，它的直接结果是大爆炸或大膨胀。两者缺一不可，紧密相联，相辅相成，相互转化，对立统一。

第二，黑洞与白洞是通过某种“极变机制”（虫眼机制等）相互转化的，由于这种相互转化的存在，使得量子阶梯中的所有物质现象得以产生、发展和消亡。在这个过程中，既没有一成不变的永恒事物，也没有只出现一次就永远绝灭的东西。产生了的东西会消亡，消亡了的东西又会产生，如此循环不止。

第三，黑洞与白洞的相互转化是宇宙演化最根本、最重要的动力根源。它们两者的存在和转化，是“吸引和排斥这一个古老的两极对立”的生动体现，是万物变化最深层次的总根源。

白洞概念的提出帮助天文学家们解释了一些高能天体的物理现象，所以，白洞引起了不少天文学家的兴趣，他们也对白洞问题作了一些探讨和研究。但科学家们对白洞还远远比不上像对黑洞那样兴趣浓厚，对白洞的研究工作也远远比不上像对黑洞的研究那样广泛和深入，并且在观测认证方面，也不像黑洞那样取得了很大的进展。总而言之，白洞学说目前还只是一种理论假说。

宇宙中是否真的存在白洞这种天体？白洞是怎样形成的？我们的宇宙在它诞生之前是否就是一个白洞？有关白洞的这一系列问题，还都是等待人们去揭开的宇宙之谜。