书城科普中华青少年成长必读集萃:一分钟悬案
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第84章 探秘未知的世界(27)

又有媒体报道,欧洲太空总署2003年9月发射的“SMART—1”太空船在完成主要任务之后,正在逐步降低高度,接近美国阿波罗登月舱的降落地点,准备拍下高清晰度的黑白及彩色照片。这样做的目的是什么呢?欧洲航天局首席科学家福英格回答媒体说:“我们正在观察某些降落地点,目的是查出基本的真相。”

这是什么话?难道美国的盟友和同行也怀疑“登月骗局”吗?不然,何必要专门费此周折?扬言要“查出基本的真相”呢?

正是为了这个目的,欧洲太空总署决定,把“SMART—1”任务延迟一年到2006年8月,到那时,美国“登月”到底是不是“骗局”,总可以盖棺定论吧?

神秘天体:“黑洞”之谜

“黑洞”是宇宙中最为神秘的未知天体。到目前为止,没有一个天体被百分之百地证明就是黑洞。然而,所有世界一流物理学家和天文学家都相信它的存在,围绕着它所进行的观测、研究和争论更是层出不穷。

它是当代科学“六大悬案”之一,有关它的观测报告和理论革新,常常教我们莫名惊诧,耳目一新。“黑洞”的特征最初指出“黑洞”存在,并假设它为一个质量很大的神秘天体,是在1798年。当时,法国的著名天文学家和数学家拉普拉斯根据经典的牛顿力学预言,只要这个天体的体积足够小,引力足够大,光线和其他一切物质就不能从中逃逸。

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,不久,德国物理学家史瓦西得到了广义相对论方程的一个精确解。他预言存在五种不旋转、不带电的“黑洞”,人们称之为“史瓦西黑洞”。

根据史瓦西计算,一个质量与太阳相当的天体,其半径收缩到3公里时,就有可能成为“黑洞”,而地球,则需压缩到半径为0.9厘米。现在一般认为,黑洞是一种无法直接观测的神秘天体,它有一个封闭的边界,物理学上称为“视界”。外界的物质可以进入这个视界,而视界中的物质却不会从里面逃逸出来。

因此,它的首要特点就是“黑”,它不向外界发射和反射任何光线,除了“黑”,人们无法看到它的“庐山真面目”。

其次,它还是一个无底“洞”。它利用自己强大的引力,贪得无厌地吸食四周的一切物质,包括天体,却又不让一点物质从中泄露出来。因此,人们又称它为“宇宙陷阱”,或者“星坟”。

它的“肚子”到底有多大?这些被吞食的物质或天体到哪里去了?它的内部结构怎样?人们无法知道。即使用多盏威力巨大的探照灯向它照去,也无济于事。每秒30万公里速度的光,只要一进入它的引力场,就无法逃逸。

说起“黑洞”吞食四周物质的方式,真是有趣极了。一种是“拉面式”:当一颗恒星靠近“黑洞”,就很快被“黑洞”的引力拉长成面条状的物质流,迅速吸入洞中,同时产生巨大的能量,包括X 射线。

另一种是“磨粉式”:当一颗恒星被“黑洞”抓住之后,就会被其强大的潮汐力撕得粉身碎骨,然后再吸入一个环绕“黑洞”的抛物形结构的盘状体中,在不断旋转中,盘上的物质像螺旋一样进入黑洞,由黑洞慢慢“享用”,并产生稳定的能量辐射。

“黑洞”存在之谜

黑洞既然无法直接观测,我们怎样来确认它的存在呢?

首先,它强大的引力场会影响附近的天体运动,人们可以从一些天体运动的异常情况来推断附近有一个黑洞存在。

其次,当附近的物质被源源不断地吸引进黑洞的边界—“视界”之前,会放射出大量的x 射线或Y 射线,这种高辐射现象,成为了我们寻找黑洞的重要线索。

比如,一些科学家们用设置在南美洲智利基诺特洛的口径为4米的光学望远镜观测,发现在大麦哲伦星云中有最亮的X 光源“LMCX—3”,它的质量是太阳的8~12倍,不可能是中子星,因为中子星的质量不可能超过太阳。那么它是什么呢?天文学家初步判断,它可能就是黑洞,这是迄今为止首次在银河系之外发现的好像是黑洞的天体。

同时,天文学家还发现,在这个天体附近的星球上,有气体不断地流入这个黑洞。是什么原因造成这种奇特的现象呢?他们认为,这些气体大概受到强大重力的吸引,而被加速到极高的速度,最后,其动能便转变成为X 光了。

还有一些天文学家推断:天鹅座X—1双星中的一个成员,也很可能就是一个质量超过太阳3倍的恒星级黑洞;一个名叫“M87”的椭圆星系的核心中,则可能存在一个质量比太阳大90亿倍的星系级黑洞。

1994年,英国牛津大学的一个天文学家小组宣称,他们首次准确地测量出了一个黑洞的质量:2400亿亿亿吨,是太阳的12倍。这个黑洞被命名为“V404CYG—NI”,距离地球大约6000光年,它目前正在吞噬一个比太阳略小的恒星,他们正是通过这颗恒星所发射出的红外线,测量出它在黑洞周围的轨道速度,从而推算出了黑洞的质量。

像太阳一样的恒星,一边在无垠的空间释放出巨大的能量和光,同时也在逐渐衰老。它的内部温度逐渐上升,星体渐渐膨大,最后发生剧烈爆炸,气体喷出,这种气体在周围扩散、聚集,产生出新的星体。在原星体的中心部分留下一个白色的小星,白色小星继续缩小,最后成为中子星。

中子星的密度极大,如同直径为140万公里的太阳一样的物质被紧紧地压缩,使它的直径缩小到10公里。

它的密度是水的100兆~1000兆倍。

在恒星转变为中子星后,当其质量是原来的2~3倍时,它的直径将会缩小1/3,然后突然消失变成“黑洞”。在直径缩小了的中子星上,一颗如钢球大小的物质,质量可达3~30亿吨,因此它有巨大引力,能把周围的小星体和尘埃像旋风一样卷进去。

有些科学家甚至认为,在太阳中可能有一个小“黑洞”,影响着太阳发出的某种射线。

有人提出,人类可以利用“黑洞”制造能量,供人类使用,方法是将某种物质导向“黑洞”,然后收集“黑洞”吸取物质时所发出的引力能量,储存备用。这就像是一个宇宙垃圾箱,投入垃圾,产生能量。

不过,还有些科学家根本否认“黑洞”的存在。

不管怎样,可以确定的一点是:“黑洞”的观念,是20世纪人类注意到的最新奇观念之一。这个问题必将成为21世纪天文学家绞尽脑汁研究的对象。“黑洞悖论”与霍金赌局原先,人们认为,所有进入黑洞的物质和能量都会永远消失。但在1974年,霍金先生根据量子力学和相对论理论提出,黑洞并非只进不了,由于量子作用,黑洞形成之后,就会“蒸发”、辐射出能量,同时也损失质量。这意味着黑洞将逐渐缩小,最后在爆炸中结束生命。这就是著名的“霍金辐射”理论。

与此同时,霍金还认为,黑洞的这种蒸腾和辐射并不含有任何黑洞内部的信息,当黑洞变得越来越小,最后蒸发到没有时,就意味着已经丢失了全部信息。并且,到了变化的末端,就无法复原那些信息了。

但是,这与量子力学中认为物质信息不会完全消失的“信息守恒定律”相矛盾,人们把这个矛盾称为“黑洞悖论”。

霍金解释说,由于黑洞的引力场过于强大,“信息守恒定律”在黑洞里失效,但是,他的这种解释并不能令学术界信服。

2004年7月21日,在爱尔兰首都都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力”大会上,霍金对自己提出的黑洞理论进行了全面革新,叫所有与会者瞠目结舌。

霍金说,他使用欧氏路线积分数学方法,得出了全新的结论,即黑洞并非只是吞噬物质。除了会在星系形成的过程中扮演重要角色外,在经过一段相当漫长的时间后,黑洞也会把一些曾被它吸入的物质信息向外界释放出来。黑洞内部最初的信息量与最终的信息量相等。“它会向外辐射其吞噬物质的所有信息。不过,这些信息已经被黑洞撕碎、打破和重整了。”霍金演讲中这样说。

“我很抱歉,我让科幻爱好者们失望了。”霍金的最新阐述被不少人认为是黑洞理论的一个重要逆转。美国加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基就是其中之一。20多年前,霍金提出黑洞辐射理论时,普雷斯基就一直坚持物质信息不会完全消失,他认为,黑洞具有一些不为人知的筛孔,信息将通过这些筛孔安全撤离黑洞。

为此,霍金和普雷斯基打了赌,赌注是,胜利方将获得自己选择的一套百科全书。

所以,在当天演讲结束后,霍金将一套百科全书赠与普雷斯基,作为打赌输了的代价,而普雷斯基则获得了全场的热烈掌声。

与会物理学家大都表示,尽管他们对霍金的阐述还不够理解,但他的新思想一定会是人类想象力的又一道美味大餐。

不速之客:球形闪电之谜

在古老的民间传说中,雷电属于神灵世界而不属于物质世界。它是神灵们惩恶扬善的工具:忤逆不孝者,为富不仁者,面善心黑者,都会因雷神爷愤怒的惩罚而“扬恶”于天下……直到今天,对于突如其来、磅礴万钧的雷电,我们仍然抱有一份不可抗拒的敬畏之情。

“上帝的使臣”

1752年的一个雷雨交加的日子,美国的一名普通印刷工富兰克林,在荒野里做了一个有名的实验。他把一只大风筝放飞到天空,风筝上垂挂着一根细细的铜丝。当风筝不断上升、触及云层的时候,铜丝末端就出现了电火花。富兰克林把闪电的能量引到地上,并且点着了酒精。这就是有名的“风筝实验”。从此,揭开了闪电神秘的面纱,人们再也不相信闪电是“上帝发怒”的宗教宣传。至今仍为人们造福的避雷针也由此而诞生。

有一位名叫里奇曼的俄国科学家,他试图重复富兰克林的风筝实验,不料,一个拳头大的淡蓝色火球离开了实验室的避雷针,悠悠忽忽地飘浮到他头上,突然一声爆炸,他倒下了,前额上留下了一块红斑,一只鞋底上被打穿了两个洞眼。原来,他遭遇到的是另一种更为诡异的闪电,我们把它叫做“球形闪电”。球形闪电俗称“滚雷”,是大自然中的一种奇特而神秘的现象。它通常是一团火球,并不像一般雷电那么迅疾,而是飘飘荡荡,时快时慢,往来倏忽;颜色或黄或白,或红或蓝;大的可达数米,小的就像一只飘忽的乒乓球;运行中常常伴有“咝咝啪啪”的声音,有时以一声爆炸而告终,有时却在不知不觉中消失。

尤其奇怪的是,它竟能穿墙过户而不留下任何痕迹。它是真正的“上帝的使臣”,升堂入室之后,从从容容,似乎对室内的人、物在逐一审查,该焚毁的焚毁,该击毙的击毙,没有处置对象时则秋毫无犯,叫有幸逃过一劫的目击者惊诧不已。

米哈伊尔博士报告说,球形闪电的平均半径在50厘米以下,持续时间平均约100秒,而温度则可达1万~1.5万摄氏度。它经常具有某种微波辐射,有的可能有毒,辐射有害物质。

特别重要的是,普通的避雷针对球形闪电不起作用。

《梦溪笔谈》的实录

沈括是我国11世纪的伟大的科学探索者。他在《梦溪笔谈》一书中,对球形闪电有一次生动的实录。

内侍李舜举家曾为暴雨所震,其堂之西室,雷火自窗间出,赫然出檐,人以为堂屋已焚,皆出避之。及雷止,其舍宛然,墙壁窗纸皆黔。有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银扣者,银悉熔流于地,漆器曾不焦灼。有一宝刀极坚钢,就刀室中熔为汁,而室亦俨然。

据沈括先生记载,火球首见于厅堂之西屋,随即从窗间檐下窜出,房屋并未起火,室内的杂物器皿也安然无恙,只是墙壁和窗纸变成了黑色。奇怪的是,有一只容易着火的漆器并未焦灼,它上面的银质扣搭却被溶化,银汁流滴在地下。更令人费解的是,古代的刀鞘一般都用竹木或皮革做成,刀鞘完好无损,鞘内的一把钢刀却化成了铁水!

弗兰克·莱思在他的著名作品《大自然在发狂》中,也记下了一段有趣的实录:在俄罗斯某农庄,两个小孩在牛棚的屋檐下避雨,忽然,天空中飘下一个橘红色的火球,首先在一棵大树顶上跳来跳去,最后落到地面,滚向牛棚,像烧红了的钢水似的,不断地冒着火星。两个小孩吓得一动也不敢动。当火球滚到他们脚前,年纪较小的一个,忍不住用力猛踢了火球一脚,轰隆一声,奇怪的火球爆炸了,两个小孩被震倒在地,但没有受伤,可是牛棚里的12头牛却死了11头,幸存的那一头也没有受伤。

美国有个名叫龙尼昂维尔的小镇。有一次,狂风大作,电闪雷鸣,暴雨倾盆。一位家庭主妇从市场回家,准备把刚买回的鲜肉放进冰箱。打开电冰箱一看,她惊呆了,里面放着的生鸭、鲜蛋、青莴苣等等,都变成了热气腾腾的熟菜……这件事很快就传遍了街头巷尾,惹得议论纷纷。后来,经过科学家现场考察,终于弄明白了真相:原来是球形闪电的闹剧。当这位家庭主妇在市场闲逛的时候,一个球形闪电夺窗而入,钻进了她的冰箱,霎时间把她的冰箱变成了一只烘炉。结果,里面的食品全给烤熟了。但有趣的是,电冰箱并没有丝毫损坏,仍在照常运转。

19世纪法国著名的学者弗拉马里昂,记载过一次有关球形闪电的亲身经历。