光量子之超进化-第40章

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们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。

　　　　然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰彭罗斯和约翰惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

　　　　黑洞

　　　　伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

　　　　黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁施密特测量了在称为3c273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离地球如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开地球太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能。

　　　　5专家研究

　　　　编辑

　　　　等离子体

　　　　德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器（bessy2）在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究，之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验，也可以在地面进行，诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大，会吸附一切物质。进入黑洞后，任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高，会产生核与电子分离的高温等离子体。

　　　　黑洞吸附物质会产生x射线，x射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条（颜色）的x射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。

　　　　在这个过程中，铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富，但是，它能够更好地吸收和重新发射出x射线，发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长（使得其具有不同的颜色）。

　　　　铁发射出的x射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中，铁原子通常会经历几次电离，其包含的26个电子中有超过一半会被去除，最终产生带电离子，带电离子聚集成为等离子体，研究人员可以在实验室中重现了这个过程。

　　　　实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中，铁原子经由一束强烈的电子束加热，从而被离子化14次。实验过程如下：一团铁离子（仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄）在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内，同步加速器发射出的x射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来，作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。

　　　　实验室测量到的光谱线与钱德拉x射线天文台和牛顿x射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说，研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。

　　　　这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起，让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望，将ebit分光检查镜和更清晰的第三代（2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源petra3）、第四代（x射线自由电子激光xfel）x射线源结合，将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。

　　　　人造黑洞

科学简介（2）（）　
美国制成“人造黑洞”

　　　　2005年3月，美国布朗大学物理教授‘霍拉蒂纳斯塔西’在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克海文实验室1998年建造了20世纪全球最大的粒子加速器，将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小，却具备真正黑洞的许多特点。纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子碰撞机，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在纽约布鲁克海文国家实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球，具备天体黑洞的显著特性。比如：火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收，这比所有量子物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。

　　　　人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉昂鲁教授在20世纪80年代提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而，纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收某些其他物质。因此，这被认为是黑洞研究领域的重大突破。

　　　　欧洲“人造黑洞”

　　　　2008年9月10日，随着第一束质子束流贯穿整个对撞机，欧洲大型强子对撞机正式启动。

　　　　欧洲大型强子对撞机是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，它位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。系统第一负责人是英国著名物理学家‘林恩埃文斯’，大型强子对撞机最早就是由他设想出来并主导制造的，被外界称为“埃文斯原子能”。

　　　　当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。

　　　　中国的人造电磁黑洞

　　　　中国科学家造出第一个“人造电磁黑洞”

　　　　2009年10月15日，科学杂志宣布，世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过，这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们更好地吸收太阳能。

　　　　人们对黑洞这种天体感到好奇，但绝不会希望有任何一个黑洞接近自己，或我们的星球。有一些科学家在自己的实验室里造出了一个“迷你小型”黑洞。

　　　　2009年10月15日的科学杂志在介绍这种“人造黑洞”时建议，人们可以把这种“黑洞”装进自己的大衣口袋里。

　　　　制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组，崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。

　　　　“实际上，我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”在接受外滩画报采访时，程强教授对记者说。

　　　　实验室里的“人工黑洞”，目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍，存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”，实际上是一个模拟装置，这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波，在未来，它还可以吸收光。

　　　　但是除此之外，它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波，不吸收能量。”程强对记者说。

　　　　这是一个不具有危险性的“黑洞”，不仅如此，这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面，“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。

　　　　一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能，比如将它装置在航天器中的太阳帆上，或者用来吸收空气中游散的电磁波——因为手机和无线网络的普及，这种看不见的电磁波据说侵害了我们的健康，成为一种新的污染。

　　　　不过，制造“黑洞”的研究者却从来不想那么多，崔铁军和程强正在继续的，是如何把实验室里的装置变成样机，“实现工程化”。

　　　　面对关于“人造黑洞”的各式各样的议论，程强认为，“成果公布以后，被许多国际媒体转载和评论，确实也大大出乎我们意料。从我们个人角度而言，只觉得这是一个比较有意义的工作。

　　　　实验室里的“黑洞”

　　　　“我觉得很惊奇，崔和程这么快就做出了‘人造黑洞’！”看到这个研究成果后，纳瑞马诺维说。

　　　　伊维根纳瑞马诺维（v）是美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的一名教授。

　　　　年初，他和合作者亚历山大基尔迪谢维（alexanderkildishev）一起，发表论文，提出了一种制造小型“黑洞”的理论和设计方案。

　　　　他们的想法是通过模拟黑洞的一些性质，使在“人造黑洞”附近出现的放射性物质被吸引，然后螺旋式地进入“黑洞”中心。

　　　　“我们的确是受到他的论文的启发，但研究本身是我们独立完成的。”程强对记者说。

　　　　之所以能这么快将之变成现实，是因为他们所在的实验室也一直从事着这方面的研究，在理论和实验两方面都积累了很多年的经验，实验过程中也用到了很多他们自己的独创性想法。

　　　　不过虽然名为“黑洞”，他们受纳瑞马诺维启发而造的“黑洞”，和真正存在于宇宙中的黑洞还是有大差别的，这种差别并不仅仅体现在质量的大小上。两种“黑洞”的原理其实并不一样。

　　　　宇宙间的黑洞之所以能吞噬一切，是因为它质量巨大，而实验室里的“黑洞”，实际上是根据光波在被吸进宇宙黑洞时的性质，模拟出来的仪器，可以令光波接近时产生相似的扭曲，并被吸引。

　　　　也就是说，两种“黑洞”可以让附近的光波出现相似的“结局”，但是光波遇到的却并不是同一回事。

　　　　不过东南大学实验室里的“黑洞”，还只是适用于某些微波频率，比如人们常用的通信频率，如g**、cdma和蓝牙等，吸引光波还有待进一步研究，因为光波的频率更短，需要设计的“人造黑洞”尺寸也要更小些。

　　　　质量测定

　　　　中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界

　　　　国家天文台提供的星云图＇11＇

　　　　上首次成功测量到x射线极亮天体的黑洞质量，在该领域获得重大突破，将增进人们对黑洞及其周围极端物理过程的认识。该研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志自然上。20世纪90年代以来，天文学家陆续在遥远星系中发现了一批x射线光度极高的天体，它们可能是人们一直寻找的中等质量黑洞，也可能是具有特殊辐射机制的几个或几十个太阳质量的恒星级黑洞。国际天文和天体物理界对此一直难以定论。由于这类天体距离我们十分遥远，通常为几千万光年，同时x射线照射黑洞吸积盘而产生的光污染也非常强，因此测量极其困难。

　　　　刘继峰团队选取有特色的天体目标，成功申请到位于美国夏威夷的8米大型双子望远镜以及10米凯克望远镜各20小时的观测时间，在3个月的时间跨度上对漩涡星系中x射线极亮源m101ulx－1进行了研究，并确认其中心天体为一个质量与恒星可比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外，是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。＇11＇

　　　　不存在

　　　　黑洞这一定义在经过漫长的时间推测后，已经慢慢被人们所接受。然而在2014年1月24日，英国著名科学家斯蒂芬霍金教授再次以其与黑洞有关的理论震惊物理学界。他在日前发表的一篇论文中承认，黑洞其实是不存在的，不过“灰洞”的确存在。

　　　　在其这篇名为astingforblackholes的论文中，霍金指出，由于找不到黑洞的边界，因此黑洞是不存在的。黑洞的边界又称“视界”。经典黑洞理论认为，黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部，而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。

　　　　霍金的最新“灰洞”理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时