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第30章 黑色王国:是本人还是敌人?(2)

在早期的黑洞研究中还有另一段小插曲。l920年,20岁的钱德拉塞卡提出,质量超过l.4倍太阳的矮星不可能稳定,会因引力收缩成为不起眼的东西(即形成中子星或黑洞)。坚持"矮星最终会停止收缩"的爱丁顿对此不能容忍,就开始既公开又私下地攻击钱德拉塞卡对于量子统计学的运用,并且一时间竟压倒了对方。年轻人并没有因此而屈服。玻尔鼓励他说:"爱丁顿完全错了,不要理他。"当然,年轻人实际上并没有错。我们从中也能够体会到科学研究的艰难。

时至今日,黑洞的思想已经诞生两百多年了,但无论是被称为"在爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家"的史蒂芬·霍金,还是被认为"当今世界上最博学和最有创见的数学物理学家"的罗杰·彭罗斯,都无法让人们对黑洞的看法完全统一。而且他们两人在黑洞和信息的问题上仍然见仁见智。

但理论的魅力就在这里:它的莫衷一是让自身变得更加五彩缤纷。

幻想的乐趣

根据霍金和彭罗斯在黑洞问题上的分歧,美国斯坦福大学教授苏思盖恩德设置了一场有趣的官司:

Goulash教授用一颗小型氢弹把Winba9教授装着极其重要的数学公式的唯一资料的储存盒给炸成一团电子、核子、光子,偶尔还有一颗中微子。法庭上,Goulash用时间对称性的宇宙法则推出,只要把那团粒子的运动倒转就可以找回信息而胜诉。Winba9为了报复,把Goulash的计算机连同所有文件包括蘑菇炖鳗鱼的烹饪方法一起发射到外层空间,使其径直掉入一个邻近的黑洞。法庭上,Winba9使用霍金的黑洞蒸发理论以牙还牙地反击Goulash。此后就是霍金、胡夫特等科学家被请上法庭作证。他们争来争去,没有一致的结果......

两人的分歧在于对黑洞辐射时损失掉的它所保存信息的恢复问题。霍金认为损失是不可恢复的,而彭罗斯则认为把信息引回系统的量子状态自发容量要抵消信息损失。确实玄之又玄。我们谁也不可能把任何东西扔进黑洞中。但是将来人们会不会自私而又恶毒地用黑去毁掉别人的幸福呢?不得而知。我们只是希望黑洞不要成为停尸房。让我们暂且忘掉忧惧,进入一个更有意思的话题。

说来要归功于人的头脑对对称的一种天生癖好。有了吞噬物质的黑洞,人们就设想出喷发物质的"白洞",而连续二者的是一条伸展的喉道,称为"虫洞"。这样就有了一个天真而又真诚的幻想:从黑洞穿过虫洞进入另一个宇宙。但还有更为奇妙的:回到过去。也许这在美国科纪片《机械手》、《超人》、《未来战士》中已司空见惯,但如今在理论上却还存在着问题。l988年,美国加州理工学院的托恩教授曾提出一个主张以实现这一目标。首先,使量子层次时而诞生时而消失的极小的虫洞增大到太空般能够通过的程度,同时用负能量维持,再将虫洞加速到几近光速,然后减速......这在技术上相当渺茫。法国作家巴雅瓦在小说《轻率的旅行》中提出一个时间怪论:某人通过黑洞的时间机器回到过去,把自己的祖父在还没有孩子时就给杀死了;倘若这样,这个凶手自己就不会被生出来,当然就谈不上去杀祖父;那么祖父就又可以有后代,而他的后代又可以去杀他......返回过去的旅行,违反了要求原因总是在效果之前的因果律。但在广义相对论里,宇宙被引力所弯曲、时空几何被变形,那么旅行又可以实现。弑亲矛盾违反了自治律,即规定一个物理系统的演化必须自相一致。比如,人不可与另一个自己相遇。但是当一个人通过黑洞回到自己的童年时代并同童年的自己一起玩耍,又是怎样的一种情况呢?回到过去,毁灭现在既成事实的前因,这是人们作时间旅行时除掉了解过去之外的另一个主要目的,甚至有带着现在的先进工具回到过去作威作福的嫌疑。就好像当年殖民者带着枪炮去开发殖民地,进行掠夺和杀戮一样,不可想象。

除恒星黑洞和星系中心黑洞之外,霍金在1971年提出的重型黑洞更是趣味十足。他说,微型黑洞大小如基本粒子,能被太阳捕获,并逐渐朝日心坠落。与人们的直觉相反,太阳不会被这个小黑洞吃掉,小黑洞可以在太阳里存在很长时间而没有任何可察觉的影响。只有黑洞迅速增大的情况下太阳才有危险。实际上这是多虑了,因为被黑洞吞噬的太阳物质在消失之前会发出很强的辐射,辐射压对外部物质的推斥作用将限制黑洞的增长速度。被吞噬的物质流与被释放的能量流相互调节,使得黑洞周围的区域就像一个极其稳定的核反应堆,而太阳依然平静地发着光和热。

但是,如果微型黑洞跑到地球上来呢?虽然它同我们地球碰撞的可能性很小,还不及大陨石撞上地球的机会多,但已有人用它来解释l908年6月30日俄罗斯通古斯卡那场著名的爆炸,其威力不下于l500颗扔在广岛的原子弹。他们说,一个微型黑洞穿过地球,就像一把热刀穿透了黄油,又从地球与通古斯卡相反的一端即南大西洋中央钻了出来。由于黑洞钻入时导致的地震波和钻出时导致的大气冲击波都没有观测到,此解释似乎难以成立。的确,"如果黑洞随处可见,那么反而显得不可信了"(法国黑洞专家约翰一皮尔·卢米涅)。我们由此可见科学权威们孤芳自赏、讳莫如深的嘴脸。

千真万确,黑洞不是随处可见的,否则它就可以被制成奇特的炸弹了,尽管一时还难以想出用什么东西把它装起来。

黑洞与宇宙

卢尔涅博士在他的《黑洞》最后一章中说:"我们已经找到比原子还小的微型黑洞的光亮,我们已经看到了半径为l0公里上下的恒星级黑洞的诞生,我们也已经同尺度像太阳系那么大的巨型黑洞打过交道。如今只剩下一个问题要问:可能的最大黑洞是什么?答案是现代科学中一个最惊人的设想:宇宙本射。"也许黑洞真是一个绝妙的归宿。尽管引文的意思是说,宇宙就是黑洞。所有的能量都被消耗殆尽,所有的物质都被收缩成无限小的点,最终归于一无所有。在此之前,人类的历程恐怕早已结束,我们自然无法看到,而只是浮想联翩。

关于黑洞,还可以说很多很多。但现在我只能忍痛用《黑洞》的最后一名话作结:

"作为毛里斯·梅特林克一句格言的释义,黑洞一词仍然常常只是掩盖我们无知的一件豪华伪装。"

"空空道人"手中的隐形镜

镜像存在吗?

也许你每天都要面对镜子梳妆打扮,但你是否想到过这样一个问题:如果我们闭上了眼睛,镜子里反射我们的像还在吗?也许你会脱口而出:"当然还在,因为别人看得见。"如果所有的人都闭上了眼睛呢?或许你会作出否定的回答,说自己闭上眼睛,像就不在了。那为什么别人能看见呢?你说那是因为他们睁着眼睛。的确,正是因为我们睁着眼睛才看见了镜像;但是,闭着眼睛时镜像究竟存在不存在,实在是一个不太好回答的问题。

一如天地万物之有阴阳,宇宙间一切都有正反。既有物质,又有反物质。打个比方说,反物质就是物质的镜像。长期以来,科学家们也在询问:物质的镜像--反物质存在吗?

制造反原子

1995年9月,欧洲粒子物理研究中,5-(CERN)宣布合成了世界上的首枚反原子。这无疑标志着人类在反物质的研究上又向前迈进了一大步。加利福尼亚斯坦福线性加速器中心(SLAC)的理论物理学家布罗德斯基:"CERN的测量是物理学家制造奇异原子进程中的一个里程碑。"

正是布罗德斯基于l992年和他的同事芒格、施密特提出了用正电子和反质子制造反氢原子的一种可能方法。3年后的9月份,来自德国和意大利五个研究单位的23名科学在沃尔特·厄勒特的领导下,用CERN的LEAR(Low Energy An--tipr0-ton Rin9,即低能反质子环)实现了这一目标。他们利用LEAR,使反质子束流以每秒300万周的高速度绕LEAR回旋,并定时穿过从其一侧射入的氙气射流。在极其偶然的情况下,一个反质子被一个氙核的正电荷散射,将其一小部分能量转变成一个电子和一个正电子。所产生的正电子中又只有极少数速度和方向同散射的反质子非常接近,这才有可能被反质子俘获而形成反氢原子。在历时3周的实验中,使用的反质子数多达5×1012个,经确认只产生了9个反氢原子。或者说是ll个。没有净电荷而呈电中性的反氢原子因为不受LEAR偏转磁场的作用,所以生成后继续沿直线运动,并从偏转磁铁处的窗口穿出,打到硅计数器上,并被拆散成正电子和反质子。此时反氢原子仅仅存在了40×10_9秒。使用碘化钠晶体计数器、磁谱仪和飞行时间闪烁计数器分别探测正电子和反质子各自湮没时所产生的信号,便可确认成功地合成了反氢原子。厄勒特说:"我们原期望看到9个反应结局,而我们实际上看到了11土2,二者极为一致,比期望的还好。"

艰难的探索

发现存在反物质的第一个线索是本世纪20年代。英国物理学家保罗·狄拉克试图将物理学上的两大最新理论--爱因斯坦的狭义相对论和薛定谔的量子物理学结合在一起时,狭义相对论描述物体接近光速时的运动情况;而量子物理学则揭示了粒子在微观世界中表现的行为。l925年之前,这两个理论几乎是各自独立发展起来的。但它们以其独特的角度,均可描述原子内部一个电子的动力学行为;因为电子能以接近光的速度运动,但同时又表现出量子行为,便测不准。

狄拉克最终设法做到把这两个理论结合在一起,提出了电子的相对量子力学理论,即现在人们所称的狄拉克方程。狄拉克巍程臻海,磐定存在寺种粒葶,一它的质量和电予I耩,值是电荷恰好相反。据此他在1928年预言:存在反电子,或者称为正电子。狄拉克还认为,如果一个正电子和一个电子相遇,两者会同时消失并发射出强烈的伽马射线,这个过程称为湮没。1932年,美国物理学家卡尔·安德森在实验中证明存在电子。他检验到了反粒子,它来自于宇宙空间的高能辐射粒子(即宇宙射线)和大气中一些分子相碰撞后,生成亚原子的喷溅物。在云雾室检测器中,一个亚原I子粒子留下了正电子径迹,该径迹比质子要小,可以认为是像电子一样的一种轻粒子通过所形成的。但云雾室周围的磁场迫使该神秘粒子画出了与电子方向相反的曲线,表明它一定是一种带正电荷却又同电子一样轻的粒子。这就是正电子。

1955年,美国加州大学伯克利分校的赛格雷和张伯伦等人利用质子同步加速器进行侦测,证实了带负电荷、磁矩方向同质子相反的反质子的存在;1956年他们又侦测到净电荷为零、而磁矩方向与中子相反的反中子。在这个时期,沃尔夫冈·泡利30年代命名的一种善于携带能量的、质量极小的中性粒子即中微子的反物质被发现(今年已有科学家测出了中微子的质量)。

然而自那时起一直过了整整40年,人们才从反物质的亚原子时代跨进了原子时代。

发现了"喷泉"

正当人们为反原子的制造成功而惊呼时,美国又传来了银河系中心"反物质喷泉"的新发现。

1997年4月,天文学家们宣称,他们利用美国航天局1991年发射的康普顿伽马射线观测卫星所收集的资料,发现由银河系中心喷发出来的一-.一企"毁灭源"是由物质和厦物质相遇并互相摧毁时产生的热气体组成的。这个"反物质喷泉"位于银河系中心上方,长3500光年,宽约4000光年,高达2940光年。观测站发现伽马射线是从银河系中心喷泉形状的区域中散发出来的,这种射线能量高达51.1万电子伏特,相当于正常光的大约25万倍。确切地讲,能量是在正电子与普通物质碰撞而湮没时所产生的。华盛顿海军研究实验所的查尔斯·德梅尔说:"这是明白无误的湮没现象的特征。"

一般情况下,正电子是由某些放射性同位素衰变而产生的。德梅尔和他的同事杰夫·斯基博指出,正电子也会因超新星、大行星的爆炸而产生。在银河系中心,它们可能在过去的l0万至100万年间一直是燃烧的,并且使热气体与正电子混合而变成从银河系平面高高涌出的"喷泉"。正电子与热气体混合使其自身消失,并产生已被观察到的伽马射线。

反物质源的另一种可能性据认为是位于银河系中心的巨大黑洞。这个黑洞可能喷发反物质射流。持这种观点的科学家们说,还有一个比较小的黑洞,也可能向云层喷发了反物质。它多少被夸张成是"一个毁灭者"。

由于至今反物质还是如此的少、如此的小,各种研究都比较困难。那么"反物质喷泉"的发现能否会带来一点儿转机呢?也许并不乐观。因为银河系中心距离我们2.5万光年,由于气体和尘埃的阻挡,使用可见光太空望远镜都看不到它。正如德梅尔所说的:"那里有剧烈的活动,正在使我们整个银河系中心的热气云沸腾起来。它是银河系的内城,而我们则生活在相当安静的郊区。"

想起了爆炸

自从有了反物质的研究,人们解释各种神秘事物的花样又多了一种。

1984年4月29日,夜里,天气晴朗,星光灿烂。日本航空公司第36次班机22时12分从东京城田机场起飞,目的地是美国阿拉斯加的安格治。在飞机即将到达时,副机长突然发现在飞机的前方升起一团半球形的浓烈烟雾,高约l万米。烟雾急速向四周扩散,显示出它是一次威力无穷的大爆炸。而且在夜光的反射下,天空呈现出明亮的灰蓝色。飞机立即向安格治控制台报告:"在我们这架飞机的左侧出现原因不明的烟雾,我们开始避开它。"到零点5分飞机发出恢复正常飞行的信号。与此同时,荷兰航空公司的868班机以及当晚飞行在这条航线上的其他飞机也同样见到了这团烟雾。荷兰班机目击的时间在晚上22点30分至45分之日,早于日本班机约1小时。该机长向控制台报告说:"我看见一道强烈的白光,开始时就像圆形的云团,刹那间云团就散开了。"

为了弄清这团奇怪的烟雾,目击空中蘑菇云的飞机全部降落在安格治美国空军基地,飞机上所有的乘客和机组人员均进行了放射性污染的检查测试工作。然而检查结果却出人意料:没有发现任何放射性污染的痕迹。

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