[科普中国]-浅谈黑洞

霍尔·布莱克捡了一块扁平的石头，摆好姿势用力向外一掷，石头如离弦之箭飞出，在光滑的湖面上弹了三弹，而后沉入湖底。四处泛起的涟漪在短暂的相遇之后又继续向着四周扩散，被惊扰的湖面不开心地皱着眉头。

“不玩了不玩了，我扔了这么多石头，没有一块成功打起水漂漂的，爸爸我们换个游戏吧？”湖边的小女孩嘟着小嘴撒着娇。

“好啊，那我们来比谁扔得远吧。”霍尔一边说着，一边掷出了一块小石子。石子在空中划了一道漂亮的弧线，落入了远方的湖水中。苏菲·布莱克看得楞住了，隔了一会儿才说到：“欺负人，我力气没你大肯定没你扔得远。”然后赌气似的扔了一块石头出去，石头在不远处就被吸入了湖水之中。“不只和力气有关，和身高也有关。”霍尔一把将女儿抱起，给她一块小石头，让她骑在自己脖子上，说，“你现在再扔一次，看看是不是比你上一次扔得更远？”

苏菲又使劲扔了一次，果然如爸爸所料。

“你知道为什么力气越大站得越高能把石头扔得更远吗？”

苏菲眨巴着大眼睛问：“为什么呢？”

“力气越大的话，石头刚离开你的手的时候速度会更大，也就是飞得更快。而如果石头最初飞出去的时候离地面的高度都一样的话，那它掉落到地面所需的时间也是一样多的。同样多的时间，飞得更快的石头当然就飞得远啦。而如果刚开始扔石头的力气都一样大的话，如果石头最初飞出去的时候离地面的高度更高，石头掉落到地面所需的时间就更长，同样的速度，飞翔时间更长自然也飞得更远。”苏菲仰着头，装作一副听懂了的样子。“要是我力气很大很大，肯定能扔到湖对岸去。”

“如果力气很大很大，让石头刚开始飞得足够快，不只湖对岸，还能扔到更远得多的地方呢！”

“可是……爸爸你之前不是说地球是圆的吗？扔得太远石头会不会就飞出地球了呢？”

“那就得看情况了，如果它最初的速度大于某个和地球的质量以及半径有关的值的话，那它就有可能脱离地球，如果速度不够的话，就只能因为和地球之间的万有引力而绕着地球团团转变成……”

“人造卫星！”

“对，不过普通人肯定没有那么大的力气把石头扔出那么大的速度，这个时候就需要借助火箭将它送上太空了。”

“我记得爸爸你之前讲过，这个让卫星能绕着地球转的最小发射速度叫做第一宇宙速度，还有让航天器能飞出地球脱离地球的引力不用绕着它转的最小发射速度叫做第二宇宙速度。”苏菲为自己记得的知识而沾沾自喜。

霍尔耐心地说：“是的，这两个速度都是和地球的质量成正比，和地球的半径成反比的。也就是说如果一个星球的质量越大半径越小也就是密度很大的话，脱离这个星球引力所需要的第二宇宙速度就会更大。”

“那有没有什么星球密度大到让所有的东西都逃不出它的引力呢？”

“当然有啦，那就是黑洞。”

“黑洞是一颗星球？我以前一直以为它是一个黑色的洞呢！”苏菲简直难以置信，“那它是恒星、行星还是卫星呢？”

“和我们的太阳一样，它是一颗恒星。而且它是当恒星耗尽了内部的燃料之后向中心坍缩而形成的……”

“那我们的太阳会不会变成黑洞呢？”苏菲突然很担心。

“不会的，不是所有的恒星最后都能变成黑洞，只有当这颗恒星质量比较大，燃料耗尽之后又收缩成一个很小的球时才有可能变成黑洞。”

“啊，对了，我突然想到之前在书上看见过科学家说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。”

“但是很可惜，光也跑不出去的。而且黑洞之所以叫做黑洞，就是因为光也跑不出去。当光太靠近黑洞的时候，就会被黑洞吸收几乎逃不出来了。一个会吸收所有颜色光的东西就是黑色的。”

“可是宇宙中没有星星的地方也是黑色的，那我们怎么看得到黑洞呢？”

“事实上，最开始黑洞并不是被人观测到的，而是一个名叫史瓦西的人通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，从而预测了黑洞的存在，所以光正好能逃脱黑洞引力时离黑洞中心的距离被称之为‘史瓦西半径’。当然，也是有实验的方法能观测到黑洞的。最容易被观察到的一种是黑洞附近正好有恒星的情况，这时候恒星会受到黑洞的巨大引力的影响被牵引甚至被黑洞吸收，这时候人们就能通过观察恒星发出的光的异常推测出黑洞的存在。另一种方法是根据光线经过黑洞时会发生偏折来推断出有关黑洞的信息。”

苏菲似懂非懂地点点头：“那我们的太阳系之内有没有黑洞呢？”

霍尔摸摸她的头，笑着说：“太阳系中是没有的，否则我们都有可能被吸进去了。但是银河系中是有一些的，银河系中央还有可能有一个比太阳质量大几十倍的超级大黑洞呢！”

“好像近距离看看黑洞啊。”

“如果你不怕被它附近不均匀的引力场拉成面条人的话。但是要近距离‘看’黑洞也并不一定需要真的和他的物理距离十分接近，就像今年去世的霍金一样，如果掌握了相应的物理和数学工具，即使只坐在轮椅上，也能了解宇宙，‘触摸’黑洞。”霍尔满怀期待地看着自己的女儿。苏菲牵着爸爸的手在湖边继续漫步，想象着以后在黑板上用铅笔描绘着黑洞的情景。

“其实黑洞真的是一个很有意思的天体呢，现在你还小，我只能和你讲讲最基本的一些东西，等你稍微长大了，我就可以给你介绍霍金辐射：黑洞中其实还是有东西能跑出来的，很神奇吧！如果你真的对黑洞很感兴趣，并且学习了量子场论和爱因斯坦的广义相对论的话，或许等你长大后就是你向我讲诉有关黑洞的神奇的故事呢！”