[科普中國]-淺談黑洞

霍爾·布萊克撿了一塊扁平的石頭，擺好姿勢用力向外一擲，石頭如離弦之箭飛出，在光滑的湖面上彈了三彈，而后沉入湖底。四處泛起的漣漪在短暫的相遇之后又繼續(xù)向著四周擴散，被驚擾的湖面不開心地皺著眉頭。

“不玩了不玩了，我扔了這么多石頭，沒有一塊成功打起水漂漂的，爸爸我們換個游戲吧？”湖邊的小女孩嘟著小嘴撒著嬌。

“好啊，那我們來比誰扔得遠吧。”霍爾一邊說著，一邊擲出了一塊小石子。石子在空中劃了一道漂亮的弧線，落入了遠方的湖水中。蘇菲·布萊克看得楞住了，隔了一會兒才說到：“欺負人，我力氣沒你大肯定沒你扔得遠?！比缓筚€氣似的扔了一塊石頭出去，石頭在不遠處就被吸入了湖水之中?！安恢缓土庥嘘P，和身高也有關?！被魻栆话褜⑴畠罕?，給她一塊小石頭，讓她騎在自己脖子上，說，“你現(xiàn)在再扔一次，看看是不是比你上一次扔得更遠？”

蘇菲又使勁扔了一次，果然如爸爸所料。

“你知道為什么力氣越大站得越高能把石頭扔得更遠嗎？”

蘇菲眨巴著大眼睛問：“為什么呢？”

“力氣越大的話，石頭剛離開你的手的時候速度會更大，也就是飛得更快。而如果石頭最初飛出去的時候離地面的高度都一樣的話，那它掉落到地面所需的時間也是一樣多的。同樣多的時間，飛得更快的石頭當然就飛得遠啦。而如果剛開始扔石頭的力氣都一樣大的話，如果石頭最初飛出去的時候離地面的高度更高，石頭掉落到地面所需的時間就更長，同樣的速度，飛翔時間更長自然也飛得更遠?！碧K菲仰著頭，裝作一副聽懂了的樣子?！耙俏伊夂艽蠛艽螅隙苋拥胶Π度?。”

“如果力氣很大很大，讓石頭剛開始飛得足夠快，不只湖對岸，還能扔到更遠得多的地方呢！”

“可是……爸爸你之前不是說地球是圓的嗎？扔得太遠石頭會不會就飛出地球了呢？”

“那就得看情況了，如果它最初的速度大于某個和地球的質(zhì)量以及半徑有關的值的話，那它就有可能脫離地球，如果速度不夠的話，就只能因為和地球之間的萬有引力而繞著地球團團轉變成……”

“人造衛(wèi)星！”

“對，不過普通人肯定沒有那么大的力氣把石頭扔出那么大的速度，這個時候就需要借助火箭將它送上太空了。”

“我記得爸爸你之前講過，這個讓衛(wèi)星能繞著地球轉的最小發(fā)射速度叫做第一宇宙速度，還有讓航天器能飛出地球脫離地球的引力不用繞著它轉的最小發(fā)射速度叫做第二宇宙速度?！碧K菲為自己記得的知識而沾沾自喜。

霍爾耐心地說：“是的，這兩個速度都是和地球的質(zhì)量成正比，和地球的半徑成反比的。也就是說如果一個星球的質(zhì)量越大半徑越小也就是密度很大的話，脫離這個星球引力所需要的第二宇宙速度就會更大?！?/p>

“那有沒有什么星球密度大到讓所有的東西都逃不出它的引力呢？”

“當然有啦，那就是黑洞。”

“黑洞是一顆星球？我以前一直以為它是一個黑色的洞呢！”蘇菲簡直難以置信，“那它是恒星、行星還是衛(wèi)星呢？”

“和我們的太陽一樣，它是一顆恒星。而且它是當恒星耗盡了內(nèi)部的燃料之后向中心坍縮而形成的……”

“那我們的太陽會不會變成黑洞呢？”蘇菲突然很擔心。

“不會的，不是所有的恒星最后都能變成黑洞，只有當這顆恒星質(zhì)量比較大，燃料耗盡之后又收縮成一個很小的球時才有可能變成黑洞?！?/p>

“啊，對了，我突然想到之前在書上看見過科學家說真空中的光是宇宙中跑得最快的，它一定可以逃出黑洞的魔掌?！?/p>

“但是很可惜，光也跑不出去的。而且黑洞之所以叫做黑洞，就是因為光也跑不出去。當光太靠近黑洞的時候，就會被黑洞吸收幾乎逃不出來了。一個會吸收所有顏色光的東西就是黑色的?！?/p>

“可是宇宙中沒有星星的地方也是黑色的，那我們怎么看得到黑洞呢？”

“事實上，最開始黑洞并不是被人觀測到的，而是一個名叫史瓦西的人通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，從而預測了黑洞的存在，所以光正好能逃脫黑洞引力時離黑洞中心的距離被稱之為‘史瓦西半徑’。當然，也是有實驗的方法能觀測到黑洞的。最容易被觀察到的一種是黑洞附近正好有恒星的情況，這時候恒星會受到黑洞的巨大引力的影響被牽引甚至被黑洞吸收，這時候人們就能通過觀察恒星發(fā)出的光的異常推測出黑洞的存在。另一種方法是根據(jù)光線經(jīng)過黑洞時會發(fā)生偏折來推斷出有關黑洞的信息。”

蘇菲似懂非懂地點點頭：“那我們的太陽系之內(nèi)有沒有黑洞呢？”

霍爾摸摸她的頭，笑著說：“太陽系中是沒有的，否則我們都有可能被吸進去了。但是銀河系中是有一些的，銀河系中央還有可能有一個比太陽質(zhì)量大幾十倍的超級大黑洞呢！”

“好像近距離看看黑洞啊?！?/p>

“如果你不怕被它附近不均勻的引力場拉成面條人的話。但是要近距離‘看’黑洞也并不一定需要真的和他的物理距離十分接近，就像今年去世的霍金一樣，如果掌握了相應的物理和數(shù)學工具，即使只坐在輪椅上，也能了解宇宙，‘觸摸’黑洞。”霍爾滿懷期待地看著自己的女兒。蘇菲牽著爸爸的手在湖邊繼續(xù)漫步，想象著以后在黑板上用鉛筆描繪著黑洞的情景。

“其實黑洞真的是一個很有意思的天體呢，現(xiàn)在你還小，我只能和你講講最基本的一些東西，等你稍微長大了，我就可以給你介紹霍金輻射：黑洞中其實還是有東西能跑出來的，很神奇吧！如果你真的對黑洞很感興趣，并且學習了量子場論和愛因斯坦的廣義相對論的話，或許等你長大后就是你向我講訴有關黑洞的神奇的故事呢！”