http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2011-10-08
美国科学家罗伯特·奥本海默(左)正在向记者爱德华讲解他的黑洞理论(摄于1954年)
核心提示：正是因为一切物质甚至包括光线只要一进入黑洞的视界，就都无法再逃离，所以人类永远无法直接探测到黑洞的存在。
17世纪的英国诗人安德鲁·马维尔(Andrew Marvell)写过一首情诗《致羞涩的情人》(To His Coy Mistress)，至今被认为是英文诗的佳作，它的韵律有如莎士比亚，音节柔美而又分明，一字一句读出来的字符仿佛打在人的心脏上。诗人劝他的情人珍惜恋爱时的美好时光，不要蹉跎：
如果我们的世界够大，时间够多，(Had we but world enough， and time,)
小姐，这样的羞怯就算不上罪过。(This coyness， Lady， were no crime。)
我们会坐下来，想想该上哪边(We would sit down and think which way)
去散步，度过我们漫漫的爱情天。(To walk and pass our long love's day。)
……
让我们把所有力气，所有(Let us roll all our strength and all)
甜蜜，滚成一个圆球，(Our sweetness up in too neball,)
粗鲁狂猛地夺取我们的快感(And tear our pleasures with rough strife)
冲破一扇扇人生的铁栅栏：(Thorough their on gates of life:)
这样，我们虽无法叫太阳(Thus， though we can not make our sun)
驻足，却可使他奔跑向前(Stands till， yet we will make him run。)
这首情诗(陈黎译)并非只会让恋爱中的男女感慨，也容易让宇宙学家们产生联想。在我们的宇宙中，并非只有看上去浪漫的星河灿烂，主宰一切的质量与能量也会布下危险的黑色陷阱。宇宙中时间与空间成为一体而被质量和能量随意扭曲拖曳，到了极致就是遍布宇宙、安静却可以吞噬周围的一切、我们却永远都无法看到的黑洞。
黑洞并非什么神奇的天体，它遵循一切物理定律，它的形成机制也不难解释，就是无处不在的引力。当某些宇宙天体的生命走到尽头、自身的引力变得极端、开始压倒一切的时候，就有可能变成黑洞。正是因为一切物质甚至包括光线只要一进入黑洞的视界(Event Horizon)，就都无法再逃离，所以人类永远无法直接探测到黑洞的存在，也是因为如此，黑洞也算得上是最“黑”的东西。从理论推导，到怀疑，到深信不疑，人类认识黑洞的历史算得上就是宇宙学发展的历史，黑洞也不断改变着人类的宇宙观。
在牛顿发现万有引力定律之后，早在18世纪，英国科学家约翰·米歇尔(John Michell)和法国数学家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)就分别提出过设想：因为万有引力，可能存在一种足够小并且足够重的天体可以吸引周围的一切，甚至连光线都无法逃脱。只是这种设想在当时无法得到证实。在整个19世纪，这个设想并不受欢迎，因为在1801年，托马斯·扬通过双缝衍射实验无可争议地证明了光不是一种粒子而是一种波，当时人们认为波不会被引力所束缚，黑洞设想也就成了一种无稽之谈。直到95年前诞生了广义相对论，黑洞的存在才有了科学基础，也使人类研究和探索黑洞成为可能。
印度裔美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)1946年在芝加哥大学做题为《科学家》的演讲中，把自然科学分为基础科学和衍生科学两类，他认为就像发现原子结构，发现中子与电子都属于基础科学，而发现哈雷彗星和了解双星系统则属于衍生科学。衍生科学虽然没有揭示新的科学领域，却极大地拓展了人类对于自然和宇宙的认识，可以促进基础科学的发展。这位日后被朋友们习惯称为“钱德拉”的科学家，正是因为一生主要研究属于衍生科学领域的黑洞而被人们所铭记。从小就展示出非凡的科学研究天赋的钱德拉，在1930年乘坐“Pilsna号”轮船从印度前往英格兰，他打算在剑桥大学跟随物理学家拉尔夫·福勒(Ralph Fowler)学习。福勒当时正在研究宇宙中白矮星的性质，这也正是钱德拉当时的兴趣所在。福勒当时通过牛顿力学得到的计算结果显示，白矮星的密度与其自身的质量有关——这与人们的直觉相符，越大的星球其自身引力也就越大，因此也就会更加紧密。在船上无聊的时光中，钱德拉试图用狭义相对论来描述白矮星中电子的行为，并且进行计算，结果他得出了一个令他自己都感到震惊的结论：白矮星的质量越大，其半径越小。当白矮星的质量大过一定极限时，它的密度将趋于无穷。这个质量的极限，后来被人们称为“钱德拉塞卡极限”——这次航行中19岁的少年钱德拉得出的结论，在不久之后将永远地改变人类以往田园牧歌式的宇宙观。
印度裔美国物理学家钱德拉(摄于1983年)
钱德拉到剑桥之后将自己的结论写成论文，这篇论文却得不到导师福勒的支持，拒绝帮助他在英国皇家学会发表，钱德拉只能把它发表在美国的《天体物理学》(Astrophysics Journal)杂志上。但是此时钱德拉并不能自圆其说：他说如果恒星的质量大于一定界限，当它燃尽燃料时便无法维持一种平衡状态。那么，有人问到，天空中这么多闪耀的星星，它们燃尽燃料时该怎么办呢？不光是钱德拉无法回答，当时世界上的所有人都无法回答。直到1939年，美国科学家罗伯特·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)与他的学生斯奈德(Hartland Snyder)发表论文《论持续的引力收缩》(On Continued Gravitational Contraction)才解决了这个问题，这是因为奥本海默运用了爱因斯坦的广义相对论来分析(在当时少有人认真对待广义相对论)。
奥本海默根据广义相对论的计算得出，如果恒星的质量大于“钱德拉塞卡极限”，当它的燃料烧尽时，它将无法支撑自身的引力而向内塌缩，如同钱德拉的结论，这样的星体将无法达到一个平衡状态而将永远地向内塌缩——这听上去有点奇怪，但是广义相对论却允许这样的悖论：因为引力场的不同，外部的观察者的时间流逝要比星体内部的时间快得多。对于外部观察者来说，从现在到宇宙尽头的时间对于星体内部的观察者来说也不过是几天而已。在塌缩的过程中，星体内部的观察者会看到它快速地塌陷，而对于外部的观察者来说却看到它迅速地减慢而稳定下来，因此对于外部观察者，永恒塌缩的结果就是，它成为了一个黑洞，尽管“黑洞”名字直到1967年才因为美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的使用而广为流传，之前人们根据它理论上一动不动的特性而叫它“冻星”。
直到广义相对论的推导以及宇宙学的诞生，科学家们才能像探测暗物质一样，通过探测周围环绕运行的天体来间接确定黑洞的存在。通过大量的间接证据和理论支持，天文学界中几乎已经没有人怀疑黑洞是一种确实存在的常见天体。被黑洞吞噬的天体的特性都会消失，因此黑洞只具有质量、自旋和电量三种性质。在宇宙中，主要存在恒星黑洞和超重黑洞两种，其中恒星黑洞多是由死亡的恒星演化而来，而超重黑洞可能是黑洞通过吞噬慢慢成长或是合并形成，也可能是诞生于宇宙之初，其中最重的超重黑洞可能会是太阳质量的百亿倍。而地球之所以能够平安无事地存在于宇宙的一个角落，就是因为附近没有黑洞的存在。并非所有的天体都这么幸运，2011年3月，人类就观测到一个天文学奇观：美国国家航空航天局(NASA)的“雨燕”小组报告，在北方天空探测到了大规模的γ射线大爆发。证据表明，这是由于一颗恒星距离一个超大黑洞太近(这个超大黑洞的规模与银河系中央的超大黑洞相仿)，因为黑洞作用在恒星近端与远端的引力不同而产生了潮汐作用(类似于地球上的潮汐是由于海水受到月球引力的不同而产生)，恒星被拉伸而最终被黑洞撕碎。因为摩擦力和重力的缘故，使得这颗恒星在死亡前爆发出强烈的光线而显得无比灿烂，这也是人类第一次目睹恒星被吞噬时的烟火。《自然》杂志用《宇宙怪兽的觉醒》(The Awakening of A Cosmic Monster)这样骇人听闻的标题，来描写这次宇宙中不常见的现象，这个超重黑洞，如同宇宙中一个沉默的怪兽，不动声色地撕碎任何胆敢进入它领地挑战的猎犬。
通过类似的观测，科学家们可以了解有多少个星系的中央存在着超大黑洞和黑洞的性质，同时也可以了解到星系中央恒星的密度，这对于天文学都具有极为重要的作用。但更多的是，这可能改变我们对于宇宙的看法和对于自身生活的感情。此时，诗句的表达则显得更为直接有力，马维尔写道：“坟墓是个隐秘的好地方，但没人会在那里拥抱。”真正的问题是，我们如何度过自己的人生——这个宇宙中真正的奇迹。
〔本文参考了弗里曼·戴森(Freeman Dyson)教授的文章《钱德拉塞卡在20世纪科学中的角色》(Chandrasekhar's Roleon 20th Century Science)〕
[三联生活周刊]