黑洞在宇宙之中究竟存不存在

　　黑洞是宇宙中一種特殊的天體，其表現為具有無限大的吸引力，甚至連光線都逃不過黑洞的吸引。下面是小編分享的霍金提出黑洞其實並不真實存在，一起來看看吧。

　　霍金提出黑洞其實並不真實存在

　　著名的理論物理學家斯蒂芬·霍金在論文預印本網站arXiv上傳了一篇有關黑洞性質的論文。霍金在論文中指出，黑洞附近時空的量子漲落非常猛烈，因此可能不存在一個物質落進去就永遠無法逃逸的清晰邊界，即所謂的事件視界Event Horizon. 但是該論文沒有通過同行評議。

　　位於天鵝座的一顆黑洞和伴星形成的雙星系統示意圖。這也是人類確認的第一顆黑洞。

　　在論文中，他強調了黑洞的“表觀視界”Apparent Horizon這一概念，落入黑洞的物體只是暫時被囚禁其中，等到“表觀視界”消失之後，被囚禁的物質會以另一種無法辨認的方式釋放出來。不過，霍金並沒有給出“表觀視界”怎樣消失的具體證明。即使霍金是對的，也只能說我們要改變傳統上對黑洞性質的認識，這並不等於說黑洞就不存在了。

　　黑洞的存在是毋庸置疑的，已經被大量天文觀測所證實。恆星級質量的黑洞是大質量恆星燃盡其內部的核燃料，在自身引力的作用下發生坍縮而成，這種黑洞的形成會伴隨有伽馬射線暴GRB，這種天文現象經常被執行在太空的伽馬射望遠鏡捕捉到，我們不時能從NASA看到這樣的新聞。在我們銀河系的中心，就有一顆質量達太陽質量440萬倍的大質量的黑洞，這種黑洞的形成機制目前還沒有完全定論，估計是由中小質量的黑洞合併而成。

　　總體來看，霍金的這篇論文並不是嚴格意義上的學術論文，而是一場網路學術研討會上的發言稿，只能算是一種學術觀點。

　　黑洞理論簡史

　　1916年，在愛因斯坦“廣義相對論”剛剛提出後，德國天文學家史瓦西就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解，即史瓦西度規。從這個解中，我們可以得到一個推論，如果有一種力量能夠把太陽壓縮到一個半徑不到3公里的球，那麼外部的觀測者就將再也無法看到陽光，這樣就形成了一顆黑洞。實際上，太陽的質量還不夠大，自身的引力還不夠強大到把自己壓縮成黑洞。但在宇宙中，特別是早期宇宙，不乏能夠坍縮成黑洞的大質量恆星。

　　1939年，美國“原子彈之父”奧本海默及其合作者從廣義相對論出發，給出了宇宙中最緻密的中子星所能夠承受的質量上限，約等於3.2個太陽質量。一旦演化末期的恆星核心的質量超過這一極限，就沒有任何力量能夠阻止它自身引力坍縮，最終會形成一顆黑洞。

　　後來，英國理論物理學家霍金和英國數學物理學家彭羅斯提出了“奇性定理”，論證了黑洞中的物質最終都會落向一個密度無窮大的“奇點”Singularity。“奇點”被“事件視界”所包圍，黑洞中的任何物質都無法逃逸出。夥子的回答實在太巧妙了!

　　黑洞到底存不存在

　　但最近，美國物理學家勞拉·梅爾辛-霍頓發表了一篇文章，聲稱黑洞並不存在。雖然之前也有許多人這樣說過，例如英國物理學家霍金也曾說過“黑洞不存在”不過他指的是字面意思。但是梅爾辛-霍頓的研究極為特殊，看似無懈可擊。如果她是正確的話，那麼物理學和天文學都得重新改寫。

　　那麼是否要把黑洞扔進科學史的垃圾桶裡?先別急著回答，首先我們來看看這位物理學家為什麼認為黑洞不存在。

　　沒有黑洞，只有爆炸

　　霍金在1974年發現，儘管任何物質都無法從黑洞裡逃離出來，但黑洞會產生輻射。這種輻射被叫做霍金輻射，它是一種量子現象，出現的原因是真空中會隨機出現一對“虛粒子”。這對虛粒子一個具有正能量，一個具有負能量，加起來為零。通常情況下它們出現後會彼此迅速湮滅掉，但是如果它們出現在黑洞的事件視界即黑洞的表面附近，那麼其中的一個會掉進黑洞，另一個可以逃離黑洞。雖然有一個粒子已經掉到黑洞裡面去了。但掉進黑洞的粒子具有負能量，會減少黑洞的質量。這樣時間一長，黑洞就會不停地產生粒子並向外輻射，並損失質量。

　　梅爾辛-霍頓的研究就是基於霍金輻射的。大多數的黑洞即恆星級別的黑洞，是通過恆星的坍縮形成的。她認為，當恆星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經出現了，這時會有負能量不斷注入恆星核心，並減少它的質量。這樣一來，負能量會產生一種排斥力，在恆星即將變成黑洞之前，恆星會因排斥力會停止坍縮，並反彈開來，這就根本就無法形成黑洞，所以她認為黑洞不存在。

　　可是，如果恆星級黑洞不存在，那天文學家成天觀測的是什麼?

　　是的，弗吉尼婭，真的有黑洞

　　很顯然，黑洞是很難直接被觀測到的。另外，也無法通過霍金輻射直接看到黑洞，因為這種輻射太弱了。儘管如此，我們仍可以找到黑洞存在的證據。如果它們不是黑洞，也至少看起來像黑洞。

　　首先，被發現的黑洞很少是一個孤立系統。黑洞周圍常常有物質通常來自伴星圍繞或落入其中，這樣物質會在黑洞周圍形成吸積盤，就像不幸的船隻被捲入漩渦中。物質越靠近黑洞速度就越快，物質之間會產生摩擦，生成熱量併產生X射線，並可被我們的望遠鏡觀測到。另外，黑洞對伴星的影響也可以被觀測到。

　　我們怎麼知道我們所看到的就是黑洞呢?天文學家可以對它周圍物質例如吸積盤和伴星的運動情況進行分析，推測出這個物體的質量和體積，然後就可以使用廣義相對論來分析它是否足以形成一個黑洞。這個論證過程很難會有差錯，因為我們的力學理論和廣義相對論都經受住了各種考驗，而且準確地預測了各種現象。所以一位美國天體物理學家針對梅爾辛-霍頓的理論熱情洋溢地回覆到：

　　“黑洞絕對存在，我們通過觀測就能知曉。我們通過圍繞銀河系中心恆星的軌道，知道那裡有一個超大質量黑洞;我們知道有雙黑洞系統;我們已經發現了超過100萬個黑洞的紅外訊號;我們知道有恆星級黑洞和中級質量黑洞;我們可以看見氣體雲被黑洞的引力所撕碎;我們還可以獲取黑洞的照片例如左面這張。是的，弗吉尼婭，真的有黑洞。”“弗吉尼婭”是一位8歲小女孩的名字，她曾寫信給《紐約太陽報》，詢問是否有聖誕老人。《紐約太陽報》回覆中說：“是的，弗吉尼婭，真的有聖誕老人。”這句話成為一個句式，廣為流傳。

　　有如此強有力的觀測證據證明黑洞是存在的，那麼梅爾辛-霍頓的研究是怎麼回事?如果她的研究沒有問題，那麼如何解釋這些觀測結果呢?她後來回覆說，我們所觀測到的很像黑洞，但它們沒有事件視界和奇點，我們應該給它們換個名字，因為它們不是黑的。但因為她所說的這個東西與黑洞很難區分，所以目前還無法驗證她的這種觀點。

　　這個模型是錯的

　　如果觀測證據表明黑洞真的存在，那麼梅爾辛-霍頓的模型是否在哪個地方出錯了呢?其中一個嫌疑最大的地方就是負能量，這個可能是霍金輻射中最令人困惑的概念。當負能量進入黑洞內部，會使得黑洞損失質量。就是這麼簡單嗎?負能量為什麼會是負的呢?

　　美國天體物理學家安德魯·漢密爾頓指出，梅爾辛-霍頓把黑洞內的霍金輻射看成具有負能量的流體，具有排斥力，最終會使得黑洞反彈而不是形成奇點，這個理論是錯誤的。

　　漢密爾頓認為，霍金輻射只能在事件視界附近產生，如果不存在事件視界，那麼就沒有霍金輻射。所以，當恆星在晚年坍縮時，霍金輻射就已經出現了的說法是錯誤的，因為沒有事件視界的出現。另外，霍金輻射產生的粒子在黑洞內部具有負能量，但是對於附近的觀察者來說這個粒子還是正的，不會對周圍產生排斥力，所以梅爾辛-霍頓所說的排斥力是不存在。因此，她的模型就有了問題。

　　其他一些科學家也認同漢密爾頓的觀點。另外還有人指出，霍金輻射作用十分微弱，根本沒有梅爾辛-霍頓所預期的那樣強。

　　沒有黑洞，就沒有悖論

　　另外，梅爾辛-霍頓的文章裡提到了一個所謂的“火牆悖論”。火牆是霍金輻射粒子在事件視界上形成的一堵牆，會阻止新的物質向裡面落入，但廣義相對論認為，觀測者穿過事件視界時不會注意到有任何變化，時空是光滑的。這個問題被稱為“火牆悖論”，而且目前還沒有達成一致的解決方案。但霍頓認為她的理論就是一種解決方案，因為黑洞根本不存在，那麼就沒有什麼火牆悖論了。

　　但是火牆悖論的存在，並不意味著黑洞不存在。黑洞產生火牆是通過量子力學得出的結論，而這結果與廣義相對論相矛盾，所以這種悖論本質上是廣義相對論與量子力學不相容的結果。我們可能需要一種能把廣義相對論與量子力學結合在一起的理論，才能真正解決火牆悖論。

　　其他種類的黑洞

　　另外一個問題，梅爾辛-霍頓的文章只考慮了恆星級黑洞，因為其他種類的黑洞可能由完全不同的機制形成的。

　　理論上，黑洞的質量可以是任何值。你可以把一個蘋果或任何其他的東西變為黑洞，只要你能把它壓縮得足夠小。甚至微觀黑洞都可以存在，但目前還沒有觀測到微觀黑洞，而且如何形成這種小的黑洞也尚不知曉。

　　另一面則是超大質量黑洞，其質量至少是10萬倍太陽質量，大的可達百萬倍太陽質量。超大質量黑洞是個神祕事物，因為我們還不清楚它們是怎麼形成的。事實上沒有哪個恆星大到能夠坍縮成超大質量黑洞。

　　觀測顯示，每一個星系中心都具有超大質量黑洞，甚至最小的矮星系都有超大質量黑洞。而且觀測顯示，它們不可能不是黑洞。例如，銀河系中有一個非常光亮及緻密的無線電波源，叫做人馬座A*，有很多顆恆星以不同的軌道圍繞著它，我們據此可以計算出這裡含有的物質的質量和體積。結果表明，人馬座A*這裡存在的物質具有很大的質量，超過400萬倍太陽質量，而且這些質量被限制在4400萬千米直徑的球體內水星離太陽最近的距離約為4600萬千米。根據廣義相對論，這裡必然存在著一個黑洞。

　　另一種黑洞則是處在恆星級黑洞和超大質量黑洞之間的黑洞，叫做中級質量黑洞，質量可達數百個太陽質量或更多，天文學家還不清楚它們是怎麼形成的。一些解釋認為它們可能是多個恆星級黑洞合併形成的，或宇宙大爆炸之後早期物質的坍縮。中級質量黑洞的是否真的存在還有待證實，不過目前已經發現了一些候選者。

　　梅爾辛-霍頓的模型與上面的情況不相符。即使她是對的，恆星級黑洞真的不能形成，那麼也許可以通過其他途徑來形成黑洞。

　　總之，基於堆積如山的觀測證據證明黑洞是存在的，而一個新的理論的提出還不足以來把黑洞概念拋棄掉。不管怎樣，她的理論還是有價值的，值得物理學家和天文學家重新思考，雖然大多數的人並不是她理論的粉絲。

　　地球周圍隱藏著多少黑洞

　　黑洞是根據愛因斯坦的廣義相對論所推論，在宇宙中存在的一種奇異天體。由於黑洞將時空極度扭曲，以至於在一定範圍內事件視界內連光也無法逃脫。一旦某個物體不幸靠近黑洞，那麼它將被無情地吞噬。

　　實際上，在銀河系中也存在著大量的黑洞。當談及銀河系黑洞時，想必大多數人都會條件反射地想到銀河系中央的超大質量黑洞人馬座A*。這好比一頭棲息於銀河系中心區域的巨獸，質量相當於太陽的400萬倍，吞吐之間驚天動地。以至於處於26000光年之外的我們也得以探究一二。

　　除了這顆超大質量黑洞，銀河系的大多數黑洞都是恆星型黑洞。這些黑洞是大質量恆星超新星爆發的產物，質量通常為太陽的十幾倍。在銀河系中，恆星型黑洞數量眾多，有些甚至就隱藏在太陽系周圍。

　　目前為止，科學家發現的距離我們地球最近的黑洞是麒麟座V616V616 Monocerotis，大約位於2800光年之外，質量為太陽的9-13倍。

　　其次便是天鵝座X-1Cygnus X-1，距離地球約6000光年，質量約為太陽的15倍。這是銀河系中一個著名的X射線源，是最早被廣泛承認為黑洞的候選星體。對此，霍金還和基普·索恩打過賭，他認為這不可能是黑洞。最終，在大量觀測資料面前，這場賭約以霍金認輸而告終。

　　再遠一些的就是天鵝座V404V404 Cygni了。這顆距離地球約7800光年的黑洞的質量約為太陽的12倍。早在18世紀，天鵝座V404就被科學家所察覺了，只不過當時它被認為是一顆變星。直到它的一次爆發再次引起了科學家的注意，隨後才被確認是一顆恆星型黑洞。

　　實際上，以上這三顆科學家發現的離地球最近的黑洞有一個共同的特徵——它們都處在一個雙星系統中，都被一顆伴星緊密環繞。這也正是科學家得以探測到它們的原因所在。這三顆黑洞正在不斷地吞噬著伴星的物質，大量物質在還未落入事件視界內時就被加熱到了超高溫度，於是爆發出驚人的X射線。

　　NASA的錢德拉X射線望遠鏡和歐航局的XMM-牛頓衛星可以有效地捕捉到這些X射線，從而對宇宙中的黑洞進行探測。

　　那麼問題來了，如果一顆恆星型黑洞沒有伴星，而是安安靜靜地做個美男子，科學家豈不是很難探測到它們的存在嗎?去年的一項研究曾首次發現一顆黑洞發射出微弱的無線電波，但卻無X射線爆發。科學家在7200光年外發現這顆安靜的黑洞表明了銀河系中可能還隱藏著大量未被發現的黑洞。是否還有距離我們更近的黑洞潛伏在周圍呢?

　　對於銀河系中黑洞的數量，科學家還可以基於超新星爆發的數量來進行的估算。再考慮到銀河系尺寸，就可以進一步測算出銀河系中黑洞分佈的密度。據此估計，在我們的銀河系中大約每隔125光年就存在一個黑洞。

　　當然，這只是一個非常粗略的估計。畢竟，黑洞可能因合併等原因而要稀缺得多，並且它們不見得會均勻地分佈。然而，毋庸置疑的是，銀河系中還有大量的黑洞未被發現。

　　一般情況下，這些黑洞並不會對地球造成威脅。如果我們倒黴地遇到了隱藏在附近的流浪黑洞，那就另當別論了。