6.黑洞——宇宙生態城
轉動的黑洞有一個非常有趣的特性,這就是著名的彭羅塞過程。彭羅塞於1969年指出,在能層中,當物質粒子的轉動方向與黑洞相反時,粒子的能量相對於無窮遠是負值。如果一個粒子從遠處落入能層,並在能層中分裂成一個與黑洞轉動方向相反,另一個方向相同的兩個粒子,那麼當轉動方向相同的粒子離開能層,飛離黑洞,而另一個落入黑洞視界時,飛離黑洞的粒子能量將大於原來的粒子。
利用能層的這一特性,希臘物理學家德梅特裏奧斯·克裏斯托多羅(DemetriosDhristodoulou)想出一個很巧妙的方法從黑洞中撮能量。這就是向能層投物質,一部分物質被視界吸入後獲得負能,另一部分則裝載寶貴的能量被發射出來,這些能量比原來物質所積聚的少量能要多得多,特別是沒有廢料的問題。
具體設想是圍繞黑洞建造一個巨大的鋼性骨架,當然要離黑洞足夠遠,以避免過大的潮汐力的作用。然後在這個骨加相建設一座工業城市,將每天數百萬噸垃圾收集起來,裝上小車,傾入黑洞。小車一輛接一輛沿螺旋線落向黑洞,每輛車在進入能層並到達“拋射點”時,一個自動裝置打開,把垃圾倒進仔細設計好的與黑洞轉動方向相反的軌道上。黑洞由於捕獲垃圾而稍稍減小了轉動速度,與此同時,空車以增大的能量離開能層,最後被一個巨大的轉子回收,釋放出大量的轉動能。這個轉子是接在發電機上的,於是就可以為城市提供電力。由每輛小車的回收所淨得的能量等於拋出垃圾的質量能量再加上黑洞本身質量能量的一部分。
這確是一個聰明的方案,城市居民不僅把垃圾的全部質量轉變成了電能,而且還提取了黑洞的一部分能量。不過每次倒進和回收的操作會使黑洞旋轉速度放慢,最後理想城市的創意者就將這個環形城市像陀螺一樣轉到另一個新黑洞的周圍,繼續同樣的過程。這的確是一個令人向往的生態城市。
實際上,彭羅塞過程不隻是一種趣談。黑洞轉動能量的提取,有可能已經在自然的天體物理條件下,正通過一個適當分布的外部磁場而實際發生著。
7.不同的宇宙間走廊
黑洞這個貪吃的掠奪者不再把物質歸還到我們的宇宙,而是在它們內部深深地隱藏了起來,不讓我們看到。但純理論研究卻顯示黑洞存在一個完全相反的對立麵:白洞。這是一塊任何物質都絕對進不去的領地,但卻可從裏麵出來。人們假設在白洞和黑洞間有被稱為蟲洞的隧道相互連接。物質從白洞的奇點跳出來,在白洞奇點物理定律不管用了,因果關係也不見了,以致在這一區域物質形態也不存在了。
但是,彭羅塞確定,如果黑洞奇點的存在是由於它是我們的宇宙的組成部分,那麼白洞奇點既不能因我們的宇宙而存在,也不能單獨存在,這就是“宇宙監督”假說。正是這個假說否定了我們宇宙間存在白洞的可能。
因此白洞的祖國就轉移到別的地方,讓我們看看是怎麼回事。在宇宙起源時突然膨脹的時代可能形成了許多隧道,像蛀蟲鑽孔一樣,故稱為“蟲洞”。根據惠勒的看法,這些隧道把黑洞視界的內部區域和白洞視界的內部區域連接起來而沒有奇點,這樣蟲洞就成為空心管道,就可能將從黑洞吸進的物質通過空心管道再從白洞排出。物質所作的旅行可以被看作從它熟悉的宇宙出發,掉進一個有去無回的洞中,但卻在完全陌生的、不同的宇宙中獲得新生。
8.黑洞間可以相互聯姻
現在,進入黑洞的是恒星塵埃、氣體、光、有機器人宇航員的宇宙飛船以及待轉換成能量的垃圾。不管怎樣,被俘獲的物質隻會增加黑洞本身的質量,同時也擴大它的半徑和表麵。如果質量增加一倍,半徑也增加一倍,而視界的麵積則增加四倍。那它是否會永遠增加下去呢?霍金首先做了一個斷然的回答:既然證實黑洞不會再縮小,那它就會繼續無限地增大。由於是延續的所以增大是逐步的。不過有一個特殊情況,那就是兩個黑洞可能相互接觸和碰撞,在互相吸引的過程中一個黑洞進入另一個黑洞,兩個黑洞變成一個單一黑洞,而這兩上黑洞的全部組成要素被保留下來。更大的單一黑洞又可能與另一個黑洞相撞等等,這樣就產一質量和體積更大的黑洞。
人們認為,在相撞的過程中,大約有千分之一的黑洞靜能釋放出來,以引力波形式向宇宙空間散發,速度和光一樣,它的麵積不斷擴大,黑洞的熵也增大。就是說內部“混亂”在增長,即有關吸入物質的信息無法使用,也無法補救,好像一台計算機偶然把剛寫好文章的字母弄亂一樣。因此黑洞中隻能傳出描述它的三個信息:質量、角動量(指黑洞的轉動)和電荷。惠勒把這種信息比作禿子頭上隻有三根頭發,我們不可能了解掉進去的物質是什麼。在這三種信息的基礎上可以對黑洞進行劃分:沒有角動量也不帶電荷的施瓦西黑洞,它具有“奇點”和“視界”的特性;具有角動量但不帶電荷的克爾黑洞;以及具有角動量並帶電荷的黑洞。此外,還可以從黑洞的起源進行區分。但最新的分類是依靠“顏色”。這看來好像有點荒唐,內部不射出一束光線的黑洞怎麼可以是彩色的呢?實際上,這裏所說的顏色不是通常的紅、藍、綠等光的顏色,而是用來區分誇克的不同狀態“色”。誇克是組成質子和中子的更小的基本粒子。對我們的天體物理學家來說,在追蹤無限小到無限大,又從無限大到無限小的過程中收集黑洞的不同“顏色”的追逐開始了。
9.黑洞最後的命運:大爆炸
在黑洞不斷增大的假設中,黑洞的生命永遠不會停止。但有一個預示性的停止正是由同一位霍金做出的,他把黑洞比作一個不斷充氣的氣球。1976年,霍金在《自然》雜誌上發表文章指出,黑洞會不斷蒸發直到最後爆炸而消失。
今天這種理論已被普遍認同。人們認為有可能“看到”黑洞的最後的閃爍,就是能從高能電磁波中觀測到的黑洞最後爆炸時發射的Y射線。
黑洞總是貪吃的,它們的終結正是由於狼吞虎咽地吃了某種消化不了的東西:帶“負能”的粒子。帶負能的粒子與提供正能的粒子一起來源於能層,但那些提供正能的粒子被推到了黑洞外麵,而黑洞則吞下了帶負能的粒子,這樣它們就不得不用消耗自己能量的代價來彌補債務。因此黑洞的質量減少了,並開始了一個不斷蒸發的過程。黑洞越來越小,越來越熱,它的能量在空間消失,最後這個老掠奪者就爆炸和消失了。