黑洞是如何形成的?有什么危害?

“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。

这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

答案

被观察到的黑洞，却找不到合适的理论来吻合它；有完美理论来描述它的黑洞，却至今没有被肯定地找到——霍金的诸多理论，似乎也永远无法通过实验观察来加以验证

　　英国科学家霍尔丹曾说：“宇宙不仅仅是想象起来很神奇，而是比我们能够想象的还要神奇。”而黑洞可能又是神奇的宇宙中最为神秘的一种天体。

　　无论用何种方法，我们都无法直接观测、了解黑洞，或许也永远无法了解它的内部状况。

　　霍金在研究并向世人阐释黑洞。然而，霍金的思想、思维如同黑洞一样，让人难以捉摸——他用的是一种纯数学、纯理论的方法做研究，科学家很难用实验去观测和验证这些理论。

　　这就是有人认为他是爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家、但另有人却认为他即使在剑桥大学自己所在的院系都不是最优秀的科学家的原因所在。

　　谜一样的黑洞

　　中国原国家天文台研究员李竞(现已退休)说，人类和天文学家对于黑洞的了解非常不够，甚至至今没有给它一个确切的科学名字，它的名字black hole（黑洞），这是一个口语词汇，根本算不上科学术语。

　　但对于黑洞，早在拉普拉斯(1749-1827，法国著名数学家和天文学家)时代就有理论。拉普拉斯根据经典的牛顿力学预言，只要天体的空间足够小，引力足够大，光线和其它一切物质就不能从中逃逸。

　　天文学家在上世纪60年代，花了很大的工夫，演算出了非常好、甚至可以说是完美的一套黑洞理论：当一个原始天体燃尽它所有的燃料后将发生坍缩，这就是超级星爆发。爆发时它将损失相当多的能量和质量，但只要最后剩下的质量超过3.2个太阳质量（稍微小一点就变成中子星，再小就成了白矮星），它最后的引力坍缩就是收不住的，在1秒的时间内，它会变成比地球铁核还小的超高密度天体。这就形成了黑洞。这样形成的天体被称为恒星质量黑洞，也就是大家平时所说并在科幻小说、科幻电影里出现的黑洞。

　　由于引力太大，连光都不能从它表面逃逸，黑洞不能被人类直接观测到。但随着理论物理和探测手段的进展，人们可以借助观测和看不见的天体相伴的另一个天体的运转情况（两个天体相互运转组成双天体），从而得出其质量。

　　然而，到今天为止，恒星世界中那些看不见的天体没有一个被100％地证明就是黑洞。

　　1994年，天文学家在星系中心发现了超大质量黑洞，并算出它体积很小，质量却极大。“由于几个不同的天文学家小组，从低级望远镜到哈勃空间望远镜，都探测到了，宇宙中有这样超大质量的黑洞就成了板上钉钉的事情。” 李竞说。

　　恒星质量黑洞虽有经典理论，在观察验证上却没到盖棺定论的地步；星系中的超大质量黑洞被观察确证，但它是怎么来的，没有一个完整的理论解释。二者正是现在科学家努力的方向。

　　“不可验证”的霍金

　　恒星质量黑洞理论跟霍金毫无关系。霍金提出了另外一个黑洞学说，他认为宇宙中有无处不在的微型（Mini）黑洞，黄豆大小，与木星差不多的质量，宇宙起源的时候，这种东西无处不在。

　　对于Mini黑洞，霍金赋予了其漂亮的理论。但天文学家少有顾及，因为它完全无法观察研究，霍金也没有提出如何去验证的方法，而科学家对一种理论最关心的是它能否被验证——这也是霍金迄今与诺贝尔奖无缘的主要原因。

　　不可验证的黑洞理论之外，霍金还提出了他的宇宙模型，给出了11维空间，认为要描述宇宙，X、Y、Z和T（时间）4个未知数是不够的，要加到11个未知数之后，才能够解释宇宙的很多结构。

　　这些“维”同样是天文学家无法探测的。

　　李竞介绍，在宇宙起源学说领域，现在最热门的是宇宙极早期时候的研究，包括那时控制宇宙、左右宇宙的物质规律是什么等等，而霍金探讨的问题甚至比这个更超前。

　　“有了早期宇宙的成熟模型以后，才能谈到霍金所提到的宇宙大爆炸之前的问题。现在连0秒之后的瞬间都还摸不清，怎么能谈更以前的？”国家天文台专家赵复垣曾经翻译《霍金的宇宙》，他也表示，虽然他翻译了全书，但对里面的理论还是不懂——实际上，许多研究广义相对论的专家都表示看不懂。

　　但李竞和中科院理论物理研究所教授蔡荣根都认为，霍金用纯数学方法做物理学的模型研究，这种“理论在先”的研究方法本身无可厚非。比如激光，就是先有了理论，然后用实验制造出来。爱因斯坦的理论当中也有很多预言，是后来被人类验证的。

　　“预言被观测证实，这样的理论就被证明是真正的好理论。问题是霍金的理论现在还没有给出明晰的、可以让人去寻找的东西。”李竞说。■

　　黑洞不“黑”

　　人们原先认为，所有的物质和能量经过黑洞时都会永远消失。然而在1974年，霍金在结合量子力学和相对论的理论后，指出黑洞并非全黑——黑洞能够辐射，这就是著名的霍金辐射。黑洞在辐射过程中，将能量辐射出去，这意味着黑洞将逐渐缩小，最后在爆炸中结束生命。

　　同时，天文学家又发现，一个黑洞吸引其他恒星的物质，不是一下子就吸引过去，而是在看不见的周围形成一个会转的物质盘（叫做吸积盘）。另外一个恒星的物质是先打到这个盘上去，盘上的物质才像螺旋一样进入黑洞，这些都已经得到确切的观察。

　　所以说黑洞完全看不见至少不全对，但信息的确很难出来。

　　现在霍金认为，信息进入了黑洞后还是能出来的。只是物质被吸进去以后，黑洞把信息都打散了，不再是原来的样子，面目全非。

　　目前很多科学家都在研究被黑洞重组之后出来信息以何种方式释放。霍金在演讲中没有交待清楚，只给出了难懂的数学模型。现在全世界都在期待霍金未来的论文能有所描述。

黑洞是如何形成的？