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第13章 黑洞(1)(2/3)

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>朗道指出,恒星还存在另一种可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍,但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间,而不是电子之间的不相容原理排斥力支持的。所以它们叫做中子星。它们的半径只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。在第一次预言中子星时,没有任何方法去观察它。

实际上,它们很久以后才被探测到。

另一方面,质量比昌德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时,会出现一个很大的问题。在某种情形下,它们会爆炸或设法抛出足够的物质,使它们的质量减小到极限之下,以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信,不管恒星有多大,这总会发生。怎么知道它一定损失重量呢?即使每个恒星都设法失去足够多的质量以避免坍缩,如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上,以使之超过极限,将会发生什么?它会坍缩到无限密度吗?爱丁顿为此感到震惊,他拒绝相信昌德拉塞卡的结果。爱丁顿认为,一颗恒星是根本不可能坍缩成一点的。这是大多数科学家的观点:爱因斯坦自己写了一篇论文,宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家,尤其是他以前的老师,恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使昌德拉塞卡放弃了这方面的工作,而转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而,他之所以获得1983年诺贝尔奖,至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

昌德拉塞卡指出,不相容原理不能够阻止质量大于昌德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是,根据广义相对论,这样的恒星会发生什么情况呢?1939年一位美国的年轻人罗伯特·奥本海默首次解决了这个问题。然而,他所获得的结果表明,用当时的望远镜去检测不会有任何观测结果。以后,第二次世界大战插入,奥本海默本人非常专心地从事原子弹研制。战后,由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去,因而大部分人忘记了引力坍缩的问题。但在20世纪60年代,现代技术的应用使得天文观测范围和数量大大增加,这重新激起人们对天文学和宇宙学的大尺度问题的兴趣。奥本海默的工作被一些人重新发现并推广。

现在,我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象:恒星的引力场改变了光线在时空中的路径,使之和如果没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示闪光从其顶端发出后在时空中传播的路径。光锥在恒星表面附近稍微向内弯折。在日食时观察从遥远恒星发出的光线,可以看到这种偏折现象。随着恒星收缩,其表面的引力场变得更强大,而光锥向内偏折得更多。这使得光线从恒星逃逸变得更为困难,对于远处的观察者而言,光线变得更黯淡更红。最后,当恒星收缩到某一临界半径时,表面上的引力场变得如此之强,使得光锥向内偏折得这么厉害,以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论,没有东西能行进得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,存在一个事件的集合或时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞,将其边界称作事件视界,而它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的那些路径相重合。

如果你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时,为了理解你所看到的情况,切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场,在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩。他按照自己的表,每一秒钟发一信号到一个围绕着该恒星转动的航天飞船上去。在他的表的某一时刻,譬如11点钟,恒星刚好收缩到它的临界半径以下,此时引力场强大到没有任何东西可以逃逸出去,他的信号再也不能传到航天飞船了。随着11点趋近,他的伙伴从航天飞船上观看会发现,从该航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间,他们只需等待比1秒钟稍长一点的时间,然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表,光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出;从航天飞船上看,那光波被散开到无限长的时间间隔里。在航天飞船上这一串光波来临的时间间隔变得越来越长,所以从恒星来的光显得越来越红、越来越淡,最后,该恒星变得如此之朦胧,以至于从航天飞船上再也看不见它:所余下的一切只是空间中的一个黑洞。不过,此恒星继续以同样的引力作用到航天飞船上,使飞船继续围绕着形成的黑洞旋转。但是由于以下的问题,上述场景不是完全现实的。一个人离开恒星越远则引力越弱,所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前,这力的差别就足以将我们的航天员拉成意大利面条那样,甚至将他撕裂!

然而我们相信,在宇宙中存在大得多的天体,譬如星系的中心区域,它们遭受到引力坍缩而产生黑洞;一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上,当他到

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