吃不饱的怪物-趣味数学

概要： 中国古代神话"夸父追日"故事中，讲到夸父为了追逐太阳，口渴极了，他饮尽黄河和渭河的水尚不解渴，又往北方大泽饮水......神话中的夸父，真可谓是一位喝不饱的人物。不过这毕竟是人们为了表述人类与自然界抗争而虚构出来的故事。但是，现实的宇宙中却存在一种"吃不饱"的怪物：任何东西落到它的"口"中，除了既像"孙悟空跳不出如来佛的手心"，再也不可能跳出"口"外，又像掉到无底深渊，消失得无影无踪。初听起来，似乎这是一种天方夜谭。这种吃不饱的怪物就是那新奇而神秘的天体--黑洞。 提到"黑洞"，如果你把它想象成一个"大黑窟窿"，那就错了。所谓"黑洞"，是一种神秘的天体，一方面它确实非常黑，几乎没有任何光线从里面传出来，在外面看它时，是绝对的黑；另一面又像是一个浑浑的洞，深不可测，周围的天体很容易落到里面，而里面的物质却逃不出来。这些神奇的特征是因黑洞密度造成的。人们知道，白矮星和中子星的密度已经大得惊人，而黑洞

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    中国古代神话"夸父追日"故事中，讲到夸父为了追逐太阳，口渴极了，他饮尽黄河和渭河的水尚不解渴，又往北方大泽饮水......神话中的夸父，真可谓是一位喝不饱的人物。不过这毕竟是人们为了表述人类与自然界抗争而虚构出来的故事。但是，现实的宇宙中却存在一种"吃不饱"的怪物：任何东西落到它的"口"中，除了既像"孙悟空跳不出如来佛的手心"，再也不可能跳出"口"外，又像掉到无底深渊，消失得无影无踪。初听起来，似乎这是一种天方夜谭。这种吃不饱的怪物就是那新奇而神秘的天体--黑洞。
    提到"黑洞"，如果你把它想象成一个"大黑窟窿"，那就错了。所谓"黑洞"，是一种神秘的天体，一方面它确实非常黑，几乎没有任何光线从里面传出来，在外面看它时，是绝对的黑；另一面又像是一个浑浑的洞，深不可测，周围的天体很容易落到里面，而里面的物质却逃不出来。这些神奇的特征是因黑洞密度造成的。人们知道，白矮星和中子星的密度已经大得惊人，而黑洞比它们还要大。黑洞物质的密度每立方厘米达到1千亿吨!就是说，比火柴头小得多的黑洞物质，需要用几千万节的火车货厢来运输!如此巨大的密度，即使是最快的光线也不能摆脱黑洞的吸引力，会牢牢地被吸住，不能从里面跑出来。另外，由于它的引力太强，当别的天体靠近它时，黑洞的引力就会把它们撕得粉碎，然后再把它们"吃"进去，而且是永远吃不饱的。黑洞吞噬物质后就会发出X射线。
    根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。
    等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫"史瓦西半径"）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它"黑"，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，"似乎"就再不能逃出。实际上黑洞真正是"隐形"的，等一会儿我们会讲到。
    那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。
    当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。
    质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
    这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的"点"。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系--"黑洞"诞生了。
    与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有"隐身术"，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是--弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。
   在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。
   更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的"脸"，还同时看到它的侧面、甚至后背！
   "黑洞"无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的同学可以去参考专门的论著。
 

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