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第二章 白洞和黑洞（第3页）

巨大黑洞

所谓“巨大黑洞”是指质量超过太阳100万倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心发现了高速旋转的气体。

根据开普勒定律，气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径，就能求出天体的质量，NGC426l旋转半径为300光年以内，质量约为太阳质量的20亿倍；M84星系旋转半径为30光年以内，质量约为太阳质量的3亿倍；M87星系旋转半径为15光年以内，质量约为太阳质量的30亿倍。计算结果应当是令人吃惊的!10亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为10天文单位，也就是1光年的一万分之一。所以，哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半径相比较，还没有把握住黑洞的外侧。

1995年，有关科学家与美国史密森尼安天文台合作，使用超长基线电波干涉仪群观测猎犬NGC4258星系的中心区域，发现在NGC4258星系中心仅0．3光年的区域内，就存在相当太阳质量3600万倍的质量，而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能几乎转瞬间便具有了可能性。同年，科学家们进行了对确认巨大黑洞具有决定意义的观测，证据是通过日本的x射线天文卫星观测得到的，观测对象是名为“MCG-6-30-15”的一个活跃星系。观测结果表明，来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移”，这是非黑洞无法解释的。

所谓“引力红移”是在强引力作用下，时间似乎变慢的可用广义相对论解释的现象，在这种现象中光波长变长。这个现象被确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了巨大黑洞存在的强有力的证据，任何星系都存在巨大黑洞。

疑问

首先黑洞的存在要基于光是粒子，受万有引力的作用而不能逃离黑洞。如果光被证明不是粒子，则该理论不存在。在倒相对论中，对光是粒子的论据，进行的多方面的质疑。

其次该理论有一个缺陷，绝大多数人认为脱离地球引力，一定要有第一宇宙速度，这是宏观认识的疏忽，空气脱离地球引力，飘散到太空，从来不需要第一宇宙速度。尤其是氢气，几乎是被其他气体赶出地球的，想挤回来都不行，根本称不上逃离。

此外，稳定的黑洞外将有一层厚厚的大气层，而大气层的外面将会富集氢气，从而引发核聚变，一个恒星的形象将出现在我们面前。如果是不断塌缩的黑洞，宇宙的一切将被它吞噬，直到引发另一次爆炸。，

而恒星的末期，都会产生爆炸，使其不会无限度增大质量，人类已经观测到很多实际例证，但恒星爆炸对物质的冲击，都未引起导致黑洞形成的塌缩力，那么想象黑洞自然形成，是否有些过于乐观?

黑洞与虫洞

据最新的研究声称，科学家认为黑洞可能是通往其他宇宙的虫洞。如果这一理论是正确的，将会有助于解释例如黑洞信息悖论等量子难题，不过批评家指出这也会产生新的问题，例如虫洞是怎么形成的等等。

黑洞是一种拥有强大引力的物体，任何物体——即便是光——在进入其边界之后都不能逃逸出来。根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞可以由任何物质形成，只要能够坍缩到足够小的空间内。

尽管黑洞不能被直接看到，天文学家还是通过观察周围物质的环绕情况，推断出一些黑洞的位置。

不过来自巴黎Bures—sur-Yvette地区法国高等科学研究所（IesEtudesStifiques）的物理学家ThibaultDamour和来自德国Bremen国际大学的SergeySolodukhin提出一个新的观点，即这些所谓的黑洞其实就是虫洞。

虫洞是连接时空架构中两个不同地方的弯曲通道。如果你把宇宙想象为一个二维的纸张，虫洞就是连接这张纸片和另一张纸片的小通道。实际上这一理论认为，虫洞连向的是一个拥有自己星星、星系等的另一个宇宙。

引起空间扭曲的小球在我们三维世界的例子就是黑洞。黑洞事实上是存在于四维空间的一种现象，或者说，黑洞是连接三维世界与四维空间的通道。我们有可能通过对黑洞的深入研究，找到克服四维空间的办法，那样的话，瓦普跳跃飞行就不再是梦想了。

现在科学家已经证实，黑洞的存在确实会令周围的空间极度扭曲。根据广义相对论，光线在正常的空间里以直线传播，但当空间扭曲时，光线会随着空间扭曲的方向而扭曲。如果能给一束射进黑洞的光线拍照的话，我们就会发现，光线呈螺旋形指向黑洞中心，因为黑洞的巨大质量已使周围的空间扭曲得不成形了。

趣事

另外一个有趣的现象也是根据广义相对论，引力越强，时间越慢，物体的长度也缩小。假如银河系被一个黑洞所吸引，在被吸收的过程中，银河系会变成一个米粒大小的东西。银河系里的一切东西包括地球都按相同比例缩小。所以在地球上的人看来，银河系依旧是浩瀚无边。地球上的人依旧照常上班学习，跟他们在正常情况下一样。因为在他们看来，周围的人和物体和他们的大小比例关系不变。他们浑然不知这一切都发生在一个米粒大的世界里。

但因为黑洞周围引力巨大，任何物体都不能长时间待留。假如银河系被一个黑洞所吸引，地球上的人只有几秒的时间去体验第一个现象。

冕洞

太阳大气最外面的一层叫做日冕。冕的本意是礼帽，日冕确实像顶硕大无比的帽子，从四面八方把太阳盖得严严实实。

除非用一种专门的仪器，否则，平常是无法对日冕进行观测的，只有在日全食的时候，才有机会看到它数十秒或者数百秒钟。日冕一般分为内冕和外冕两部分，从空间拍摄的日冕照片上，可以看到外冕最远一直延伸出去好几十个太阳半径那么大的距离。

日冕呈现出白里透蓝的颜色，柔和、淡雅，逗人喜爱。日冕虽然不亮，但用肉眼观测或者拍下照片来看，各处亮度还比较均匀，没有太明显的差别。可是，从空间拍下的日冕X光照片上看起来，它却是另外个模样。其中最引人注意的是，日冕中有着大片不规则的暗黑区域，它们并不很稳定，形状时有变化，有人把它们比喻为是日冕中出现的“洞”，冕洞的名称就是这么来的。说实在的，冕洞这个名字并不恰当，因为它基本上都是长条形的，有时从太阳的南极或者北极，一直伸展到赤道附近，长好几十万千米。从X射线的角度来看，说它是“洞”还勉强可以，冕洞里确实是“空洞洞”的，穿过冕洞可以直接看到光球，光球是完全不发射X射线的，所以在x光照片上，冕洞表现为暗黑色的一片，看起来像是好端端的一个圆面上，被涂黑了一大片。

我们都有这样的生活体验：风从东面吹来的时候，树叶、炊烟以及我们的衣服和长发，都向相反的西面飘起来。天文学家们从彗星尾巴老是背着太阳这一点得到启发，猜测太阳是不是也刮“风”?当然，这风指的是从太阳向外抛射出来的带电的物质粒子等。正式提出太阳风的名称，并得到确认，那是：20世纪50年代的事。

在20世纪30年代之前，科学家们惊奇地发现，某些磁暴——地球磁场的强烈**是周期性的，每隔一定的周期就重复出现，周期是27日。显然，产生这种磁暴的原因也应该具有27日的周期。科学家们很自然地想到了太阳，它赤道部分的会合周期也是27日，可见这两者之间存在着某种关系。

周期性发生的磁暴与太阳赤道部分的哪些区域有关呢?这是些什么样的区域呢?多少年来，一直没有人能说清楚。这些“神秘”的区域被叫做M区，但谁也没有在观测中发现过M区。

在对冕洞的探讨和研究过程中，天文学家们找到了根据而恍然大悟，40多年来踏破铁鞋无觅处的M区，原来就是太阳赤道部分的冕洞，从它那里使劲地往外“吹”的带电物质粒子，就是好几百年“视而不见”的太阳风。

冕洞、M区、太阳风，三者合一，不仅解释了一直存在的一些疑难问题，也推动了科学家们去进一步探讨由日冕和冕洞反映出来的新现象。

20世纪60年代以后，一系列的空间探测器为我们取得了大量的有关日冕和冕洞的第一手资料。尤其是“天空实验室”的发射成功，在其从1973年到1979年6月运行期间，特别是三次载人飞行期间，主要的观测对象就是太阳，总共拍摄了18万多张珍贵的太阳照片，为我们深入认识太阳和日冕作出了贡献。

“天空实验室”飞行期间，正是太阳活动并不太剧烈的时期，太阳面上的冕洞总面积竟然达到20％的样子，其中小的也许只占1％，而大的可达5％。太阳表面的1％大体上是600多亿平方千米，这些冕洞有多大呀!在太阳活动剧烈的时候，冕洞的面积是否会更大更多呢?多到什么程度呢?现在还说不太清楚。

有趣的是，太阳两极处冕洞面积的总和可以说是相当稳定的，加在一起可达到太阳表面总面积的15％左右，也就是一个极处的冕洞面积扩大时，另外一个极处的冕洞就缩小，反过来也一样。为什么两极的冕洞面积之和基本上保持不变呢?难以理解!冕洞是太阳大气中一种寿命较长和比较稳定的现象，一般可以存在相当于5个太阳自转周期那么长时间，有的甚至达到10个周期。小冕洞的寿命比较短，也许只存在二三十天，大致相当于1个太阳自转周期。冕洞面积的增长和减小速度比较平稳，而且大体相同，约每秒10000多平方千米。为什么冕洞存在的时间那么长，比黑子长得多?为什么它面积的增长速度和减小速度又大体相同呢?难以理解，也难以解释清楚。

前面说过，冕洞是太阳上的一种比较稳定的现象，这是科学家们长时间研究的结果。但是，空间观测给科学家们的提示是：日冕的短时间的“瞬时”现象，不仅存在，而且很壮观。从“天空实验室”对太阳所作的精细观测表明，日冕经常发生突如其来的、相当猛烈的抛射现象，大量物质一下子从冕洞排山倒海般地向四面倾泻，使附近的日冕部分发生明显的改变。一次这样的瞬时现象可以短到几分种，长到一二个小时。在此期间被抛出的物质少则数百亿吨，多则上千亿吨，物质被抛出的速度可以达到每秒500千米以上。这种瞬时现象是怎样发生的?是由于什么机制触发而形成的呢?它与太阳的整体活动有什么关系?等等，现在都还难以理解和解释。

冕洞的分布：最近20多年来，观测到的所有冕洞几乎都跟同一个太阳半球上的极区冕洞联系在一起，而且往往延伸到另一半球。换句话说，在太阳北半球出现的冕洞，从北极区开始向南穿越整个北半球，穿过赤道，一直延伸到南纬20°左右；南极区的冕洞则与南半球上的冕洞联结在一起，并一直延伸到北纬20°左右。为什么会是这样的分布情况呢?还不清楚。

冕洞的旋转：太阳大气中的多数现象的旋转情况是这样的：所处的日面纬度越高，绕太阳旋转的速度越慢。这就是所谓的较差自转，或较差旋转效应。冕洞似乎不遵守这种效应，它以自己的方式随着太阳自转，相对于太阳来说，它的位置基本不动，近似于所谓的刚体旋转。譬如同样都是在日面纬度40°处，冕洞的旋转速度比黑子要快7％左右；比赤道区域的冕洞只慢0．5％～1．0％，可说是相差无几。为什么冕洞不作较差自转?还不太清楚。

冕洞与磁场的关系：冕洞总是出现在太阳面上大而只有单极（正极或负极）的磁区域中，它因此而被区分为正极型和负极型两种。可是，并不是每个大的单极磁区中都会产生冕洞。就磁场强度来说，冕洞中的磁场是不均匀的；冕洞与无冕洞区的磁场并没有明显的差别，而且比太阳活动区要弱。可以认为，冕洞的产生和存在与磁场强度的大小，没有太大的关系，至少不是起主导作用的关系。

那么，冕洞究竟是怎么形成的呢?冕洞出现的频率有什么规律吗?冕洞的边界是如何逐步变化的?如果说，冕洞的发生和形成是由于太阳上的某种特殊过程的结果，那么这个特殊过程又是什么呢?冕洞及其所在的日冕，为科学家提供了许多令人惊奇而难以理解的现象，而对这些现象的本质的认识，我们还处在茫然无知或者说刚开始的阶段。