黑洞：看不见的星星

科普中国网 2017-05-11

　　大家好!一看到这个题目，可能有人会问，为啥要讲黑洞呢？那是因为：

科幻书籍常写到黑洞；

太空电影常提到黑洞；

星际穿越常用到黑洞；

青少年们常问到黑洞；

所以我们就讲讲黑洞！

　　可能有人接着问了，黑洞咋是看不见的星星呢？星星都是有光芒的，应该能看见呀？不是有一首歌，叫做“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星”吗？大家都会唱呀。

　　没错，这支歌我也会唱，我还知道它的原文是“Twinkle twinkle little star，how I wonder what you are?”，准确的翻译应该是“一闪一闪小星星，我想把你来弄清。”假如你有机会站在清澈的夜空下，仰望群星念念这几句，那该多有意境呀！你会想，能写下如此美妙歌词的人，一定是热爱星空的人。当然，那这个人是谁呢？可惜，这个人没留下照片，因为那是在两百多年前，照相机还没发明呢。不过，有人用剪纸的艺术手法，曾经给这个人留下过半身的“剪影”，我们现在看看，就知道是什么样的人了。

　　啊，是一位年轻女士呀，她是谁呢？她就是英国女诗人珍妮 ? 泰勒。哎呀，她仅仅活了41岁就去世了。她小的时候就爱看星星，在23岁那年，她写下了“Twinkle twinkle little star……”,也就是“一闪一闪亮晶晶……“,可惜的是，在40岁的时候，她得了重病（乳腺癌），过了不久，英年早逝。后来她的哥哥整理她的作品，出版了她的诗集。安妮可能没有想到，她的诗句一下子传遍了全世界！尤其这首《小星星》，经过谱曲，简直是家喻户晓，人人会唱，影响力太大了。安妮可能更想不到的是，世界上还有那么几个“古怪的人”，他们对“亮晶晶的星星”不太感兴趣，反而对“黑乎乎的星星”特别有想法，他们都是谁呢？这里可就又有故事了。

　　好，我们先讲——1. 牧师信里的“猜想”

　　话说两百多年前，在英国出现一个全才，天、地、人他都研究。首先他学的是神学，干的是神父那样的工作——牧师，可他不是只待在教堂里的人，他博览群书，四处考察，对地质学很有贡献，最早发现了产生地震的原因，被后人称为“地震学之父”。可谁又能想到，这位牧师对天文学也特别有自己的独到见解。1783年的一天，他给一位物理学家写信，在信中，米歇尔提出一个重要的猜想，那就是：如果一颗恒星的质量特别大，那么它自身的引力也应该特别大，这样一来，如果光作为一种物质，它也受引力的作用，当这颗恒星的引力足够大时，身上发出的光就会被引力吸回去了，于是这样的星发不出光，就成了“Dark star”（黑暗星）。哎呀，这位牧师不简单呀，这个概念是很重要的，其实他的这个猜想，就是后来说的“黑洞”。实际上，很多科学上的发现，都是从猜想开始。不过呢，猜想不是瞎想，要有理论根据，米歇尔根据的就是牛顿的学说，是牛顿的书——《自然哲学的数学原理》启发了米歇尔，那咱们得说说牛顿了。

　　牛顿的老家屋外有棵树，这可不是不起眼的歪脖树，而是后来大名鼎鼎的苹果树。相传牛顿有一天坐在树下，正好有个苹果熟了，“咣当”掉下来，不偏不倚，把牛顿脑袋给砸了。换成别人，可能砸晕了，可牛顿被砸得更聪明了。他认识到地球引力，后来引出“万有引力定律”，也就是说，任何物体之间都互相有引力，你的体重就是地球对你的引力，也叫作重力。可你别糊涂，你在月亮上就轻了，也就十斤左右，把你放木星上，你比大象还沉，为啥，物体质量决定引力，质量越大，引力越大。如果把你放在太阳上，先不说你能不能烤糊了，你肯定体重太大把自己压成相片了；那要是把你放在黑洞那边会怎样，我先不说结果，我怕说出来能吓死你！

　　咱们还是先做个推理吧，你手里有个苹果，你使小劲往上仍，苹果肯定掉下来（地球引力拉的），你使大劲，苹果往高处去了，但还是掉下来（速度还不够），除非你让苹果达到逃逸速度，那得跟火箭似的，苹果才能挣脱重力，飞出地球。我们接下来看，天上的恒星有的能正常发光，有的因为密度增大，质量增大，于是引力增大，就能让光拐弯，甚至把光拉回去。米歇尔牧师就是这样想的，他认为组成光的微小粒子，就跟苹果一样，也可以被拉回来，逃不出去，这就意味着光发不出来，这样的星就是“黑暗星”，否则能发出光来的，就是“亮晶晶”的星。由于米歇尔的天才想法，他后来成了英国皇家天文学会的特别会员。

　　当然，光有猜想不够，还要有人进行精确地计算，把“黑暗星”再弄明白一些。这就要看第二位人物出场。

　　此人号称是法国的牛顿，名叫拉普拉斯。他既是军人，同时又是数学家，还曾经在拿破仑皇帝手下当过法国内政部长。但他比较任性，只当了六个星期，就辞职不干了，专心搞研究去了。拉普拉斯的数学水平比米歇尔高多了，1796年，拉普拉斯根据牛顿理论，经过仔细运算，写了一部重要的书，书中明确提出：

　　“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳250倍的明亮星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。”

　　拉普拉斯的论断，使他获得了“天体力学王子”的美称。还有个趣闻，拉普拉斯把他写的书给拿破仑皇帝送了一本，有一天，拿破仑去拉普拉斯那里视察，问了他一句话：“在你的书里为何没提上帝？” 拉普拉斯回答：“陛下，我不需要那个假设！”这句话成了科学史上的名言。他还说过：“我们知道的东西是有限的，我们不知道的东西则是无穷的！”

　　接下来，该有人回答，这种“黑暗星”是怎么来的？我们要讲的第三位人物出场了。这位青年学子博览群书、目光炯炯，好像盯紧了一个目标，他就是立志探索星体奥秘的印度人，后来荣获诺贝尔奖的钱德拉塞卡。他把“恒星演化”当做他一生研究的课题。什么是“恒星演化”呢？打个比方，如同每一个人，都有从小到老，从生到死的变化过程，天上的恒星也大致如此。从原始星云中，普通个头的恒星产生后，比如跟太阳质量差不多的星，会经过几十亿年变成红巨星，然后有一天会爆炸，把自己的外壳变成行星状星云，而内部的核心，则收缩成一个小不点，叫做白矮星，这是一种情况；另外一种情况是，从原始星云中产生的大块头恒星，会用较快的速度变成红超巨星，然后变成超新星大爆炸，随后产生更厉害的引力塌缩，变成中子星或黑洞。可以说，黑洞是大恒星在爆炸之后剩下的“残骸”。有很多科学家研究了这些过程，而钱德拉塞卡做出了突出贡献，他的学说给出的简单结论是：

　　0.8--1.4倍太阳的恒星，“死后”有可能变成白矮星；

　　1.4 --3.2倍太阳的恒星，“死后”有可能变成中子星；

　　大于3.2倍太阳的恒星，“死后”有可能变成黑洞。

　　这里说明一个什么道理呢？原来天上的恒星“谁胖谁先红，谁胖谁先死”。黑洞是那些极个别的“大胖墩”的下场，这个挺好玩的。

　　科学家指出，白矮星的密度就很吓人，火柴盒般大小的白矮星物质，其质量相当于一头大象的质量；而在中子星上，物质密度就更吓人，大头针针头那么小的一块中子星物质，能比地球上最大的超级油轮还重，达到一百万吨。那黑洞的情况呢？简直就难以想象了，它变成了一个引力完全塌缩的陷阱，也就是说，它体积不大，胃口超大，一旦挨近它，就产生“拉面效应”，把你拉长拉细，比兰州拉面可细多了；再产生“拉磨效应”，让你玩命围它转，最后把你整零碎了，吸进去，就再也没影了。一个比哈尔滨还小的黑洞，把几十个太阳吃进去，那都是“小菜一碟”。

　　讲到这里，需要补充一个故事，那就是“黑洞”这个传神的名字，到底是怎么来的？黑洞以前叫做“黑暗星“，后来正式的名字叫做“重力完全塌陷星”。啥时候换成了“黑洞”呢？

　　“黑洞”这个名字是在1967年的一次会议上提出的，主持大会的科学家惠勒在发言时，用“黑洞”这个词，代替了冗长的“重力完全塌陷星”。因为惠勒是闻名世界的物理学家，曾参与研制原子弹，后来又研究宇宙学，荣获过诺贝尔奖，所以他说话当然有分量，于是惠勒成了命名黑洞的人。可是有的人愿意刨根问底，经过考证，发现”黑洞“其实不是惠勒原创的，他是听一位女记者说的，这个女记者又是听另外的人说的，我们暂且起个标题——记者耳边的“妙语”，这里有故事。

　　这位女记者名叫安?尤因，她最先在出版的杂志中使用了“黑洞”一词，来形容宇宙中的这种“怪物”，但她也不是原创，她也是听来的。实际上，这个人——美国普林斯顿大学的天文学家迪克才是原创。迪克早在1960年就讲过，天上的那种东西就像“加尔各答黑洞”。

　　这是怎么回事？这里有个典故，是一场出了名的悲剧。

　　话说在1756年，当时的英国派了一伙人驻扎在印度的加尔各答，想在那里建立殖民地，当地的印度人首领是个血气方刚的青年，他早就看这伙人不顺眼，于是带领人马和这伙人打了一仗，英国人猝不及防，一下子被打垮了，还有一些人被俘虏了。这些俘虏有男有女，有老有小，当天就被关进加尔各答市的一间小牢房，这牢房只有一扇窗户，里面黑乎乎的，通常只能关押几个犯人，但是这回一下子被塞进46个人，这是正赶上天气炎热，这些人又没吃没喝，互相再拥挤踩踏，结果第二天早晨已经死了24个。消息传到外面，引起一片谴责，认为这种虐待过于残忍。那间小牢房后来成了纪念馆，被人称为“加尔各答黑洞“，也就是黑牢的代名词。有趣的是，这与宇宙中的“重力完全塌陷星”非常相似：大量物质集中在一个狭小的空间，无法逃逸。可见，“黑洞”一词的灵感就是这么来的，真是一个恰如其分的名字。

　　那么，黑洞究竟在哪里呢？由于它不发光，望远镜看不见，所以像藏起来的幽灵。直到1970年，在天鹅星座才终于找到黑洞存在的证据，我们简称：“天鹅”体内的“暗鬼”。

　　为了纪念非洲人民的解放（Uhulu），美国发射了“呜呼噜”卫星，它在巡天观测的时候，就像一个医生的听诊器，把宇宙星空当成病人的前胸后背，终于听出点“杂音”，它发现了“天鹅 — 1”和“天鹅V — 4 ”两个强烈的X射线源。这两个地方就在这张图上。后来通过分析，多数科学家认为，这两个地方藏着黑洞，黑洞与身旁的恒星结成了伴，它自己虽然不发光，使我们看不见，但它很贪婪，它不停地把附近这颗恒星身上的物质吸过来，这些物质在掉进黑洞之前，先高速围绕黑洞旋转，产生巨大的摩擦和热能，温度能达到零上1亿度，这时就会释放出强烈的X光辐射，于是被监测到了。打个比方，好比我们听到犯人被严刑拷打发出的“哀鸣”，间接地知道了监狱牢房的存在——黑洞！

　　说来有趣，世界上有个大天文学家，还为这两个强X辐射源到底是不是黑洞打过赌，他就是当今世界研究黑洞的著名人物——霍金先生。他骨瘦如柴，全身瘫痪，但被人称作“轮椅上的巨人”。他得的这种怪病很罕见，叫做“肌萎缩性脊髓侧索硬化症”，也叫“渐冻人”。好在他脑子没病，他不断深入研究黑洞的特性。他有一个重要理论，就是黑洞不是“光吃不吐”，它可以向外发出“霍金辐射”，又叫做“黑洞有毛”，这意味着黑洞也会有终点，早晚有一天会“蒸发”掉。顺便说一下，霍金为人幽默，为了讨论科学问题，经常与人打赌，但是赢得少，输得多。好在赌金很小，只有象征性的一点点。有一次输给一位美国科学家1美元，结果那人打飞机来英国，上霍金家来拿这1美元，拿到手仔细一看，才发现这1美元跟正常的不一样，花不出去，原来在钞票上，正中间的总统头像被换成了一位女电影明星——玛丽莲?梦露，难怪霍金给钱时一脸坏笑，这老家伙真幽默，还是个追星族，老顽童。

　　由于霍金太逗了，故事特别多，于是被好莱坞搬上银幕，拍成了故事片——《万物简史》，还获了奖。电影海报的设计也很有意思，是霍金和女友他们俩在一个大学读书，喜欢做的事就是，平躺在草地上仰望星空，女友看到的是“一闪一闪亮晶晶”，而霍金看到的却是“一个一个方程式”，因为霍金知道，破解恒星是否“亮晶晶”的奥秘，必须要靠高深的数学运算。

　　今天这堂课的最后，我们要说说——黑洞带来的“遐想” 。黑洞最吸引人的地方有两个，一个就是能否变成最有效的发电机，从而被人类所利用；另一个就是能否和时空隧道联系起来，如果一个人踏入黑洞，或者从黑洞另一头再钻出来，会怎么样呢？一定是死？还是也可能活呢？黑洞能否连接另一个世界？有两部电影做了大胆地描述，值得推荐，一部是《接触未来》，说的是一个小女孩从小热爱天文，她爸爸也很支持她，可惜她爸爸突然得心脏病去世了。后来女孩长大当了一名天文学家，用射电望远镜监测到织女星那里传来的外星人的信号，于是她乘坐一种特殊航天器，借助黑洞的时空隧道，到了织女星那里，结果看到了很奇异的景色，并且意外的遇见了她爸爸，原来他在另一个世界还活着！另一部电影就是《星际穿越》，在影片结尾，男主人公为了将从黑洞里提取的信息传递给另一个时空里的女儿，人为地制造出了引力波效应，成功将信息传递，从而使人类得以解放。这两部电影当然都是科幻，现实中好像根本不可能。

　　然而，就在今年2月11日，科学家宣布:人类已经接受到两个黑洞撞击后产生的引力波！这是特别重大的发现，说明有些科学幻想并非不可能。可以说，黑洞既让人怕，又让人爱，它可以向人类泄露宇宙最深层的秘密。

　　现在我们总结一下这堂课，从两百多年前牧师的“猜想”，到今天我们的“遐想”，人类不停止对黑洞的探索，实际上黑洞的奥秘还远远没有解开，在你们中间，还应该产生未来的科学家，去寻找新的答案，让我们期待吧！

　　最后，提示大家，请多关注“科普中国”网站，还有更多精彩内容。

　　谢谢大家。

黑龙江省科协推荐、专题科普课件

助力“科普中国·百城千校万村”行动

附件：黑洞：看不见的星星--科普中国百城千校万村行动-讲座课件PPT

作者简介：

刘川浩，1963年生，中共党员，现任黑龙江省天文学会秘书长、黑龙江省宇航学会发起人。资深科普专家。毕业于中国人民解放军第四军医大学，曾任职于空军第一飞行学院，空军中校。自2002年转业后，长期专职从事天文航天科普工作，曾合著出版《天文奇象》、《天外探秘》等书籍。为各种报刊撰写天文与航天科普文章近200篇。在黑龙江及深圳等地区为大、中、小学举办讲座500余场，听众近10万人次。连续十二年每周双休日在黑龙江省天文学会天文馆主持科普讲座。2014年被选为“北京天文馆大会·基层科普工作”发言代表。曾接受CCTV采访（下图为2014.10.8资料）。