黑洞是否真的存在?
有一点是肯定的,人类到目前为止还法确定黑洞的存在,不过很多天体现象用“黑洞”解释则要痛快很多。
在上个世纪60年代,关于黑洞人类一直在想一个问题:黑洞那么“黑”,当它把更多的物质吞没了下去,它的命运将会如何呢?毋庸置疑,质量越大将会导致黑洞引力越大,引力越大,黑洞将会继续收缩,收缩的同时引力越来越大,最终只能坍缩到一个点上。那么这个点会存在么?
1965年,微波背景辐射的发现为大爆炸理论提供了有力的支持,就在那一年,有一位英国天才正在剑桥攻读他的博士学位,而博士论文也与宇宙和爱因斯坦的广义相对论有关。
这位天才叫斯蒂芬.霍金,1942年生于英国牛津,有趣的是他的生日正好是伽利略逝世300年的纪念日,不过这只是传奇的小小开始。霍金17岁上大学,获得学位后转入剑桥大学研究宇宙学。21岁时被确诊为一种怪病,这种病的名字很长,简单说就是肌肉萎缩导致行动不自如。当时医生十分肯定的他只能再活两年,不过幸亏医生错了,要不然就看不到如此励志的人生。
刚到剑桥的时候,他本想拜霍伊尔为师,但是霍伊尔已经不再招收学生了。于是他开始拜希尔玛为老师,希尔玛原本是霍伊尔稳恒态宇宙的支持者,但是他不像霍伊尔那么“犟”,他的立场也被“大爆炸”理论渐渐俘虏了。希尔玛很赏识霍金的才华,并把霍金推荐给自己的好朋友罗杰·彭罗斯(Roger Penrose 1931-),当时彭罗斯正在研究爱因斯坦的广义相对论方程,他从方程中推导出黑洞中必然存在一个密度无限大、时空无限弯曲的点,这个点被称为奇点。在奇点上,时间空间也变得无效,一切物理定律都会失去意义。以数学为例,y=1/x,x=0可以看出是方程的奇点,因为x=0使得方程失去意义。
霍金从彭罗斯的理论中受到了很大的启发,原来黑洞演化可以看出是宇宙大爆炸的逆过程。如果黑洞中奇点是存在的,那么宇宙在大爆炸的前一刻也就可以存在。
1970年,霍金与他的老师彭罗斯在论文中证明:如果广义相对论是正确的话,那么宇宙中存在这时空的奇点,所以黑洞与大爆炸都不是天方夜谭,而是不可避免的。如果这一切都是正确的话,现在可以下个结论了时间起源于大爆炸,而黑洞是时间的终结。
那么问题来了。长久以来,人类都在用广义相对论考虑或者计算天文学尺度的问题,但是现在根据广义相对论得到的结果,却又不能忽视量子方面的特性。而前面说过,这是两个从根本都矛盾的理论。
且不说什么决定论、因果律之间的矛盾,单说广义相对论与不确定原理之间的冲突。根据广义相对论,时间是平滑的,也就是说可以找到某个时间差△t,△t->0;而根据不确定原理,△E×△t>h。h为普朗克常数,如果△t->0,那么能力差值将会△E->∞,显然是不成立的。现在认为△t不能约小于在10^-43,也就是说广义相对论必须在△t>10^-43上才有意义。
再说空间,广义相对论认为物质产生的引力场改变了时空,没有物质时意味着空间是平直的,有物质是时空也是一种平滑的弯曲,但是不确定原理却又适用于万物,引力场也不能例外,虽然在宏观尺度上是平滑的,而到微观尺度就毫无平滑可言了。就比如保龄球,肉眼看过去觉得它平滑无比,怎么摸到不伤手,但是假设人能变化成一个小爬虫,保龄球上的坑坑挖挖就呈现在眼前了,如果人在继续变化下去,变成和分子一样大小,那么肉眼就会看到一个个由圆咕隆咚的球组成的世界,如果我们还能继续变成是电子的亿分之一,那么我们将会看到一个喧闹的菜市场,这里毫无规律可言。
人类始终在寻找一个万有理论或者方程将宇宙万物全部囊括其中,牛顿、爱因斯坦甚至传说中的上帝都是如此。在已知的四种力——引力、电磁力、强作用力(比如中子与质子之间的力)、弱作用力(比如原子核与电子之间的力),人类从未停止过思考的步伐,直至寻求到万有理论。