 《三思科学》电子杂志
第四期，2001年10月1日
目 录
封面
封面故事
[九歌]共生与共栖
新闻
[碧声]向海洋奔跑
[碧声]我心深处
[柯南]云和山的彼端
[柯南]与爱神约会
求知
[听云]植物分类学小议
[邱骥]似哺乳爬行动物及
哺乳动物的起源
[邱骥]高等灵长类的起源
和演化
[切尼]全虫态观察在蝴蝶
分类鉴定中的重要作用
[阿甘]EUVL——下一代芯
片工艺的核心
[小江]艾滋病的传播与预防
一、病毒与传染
[小江]循证医学存在两难吗
[异调]称球问题 —— 经典
智力题推而广之三补
译述
[Laurence Moran]什么是进化
[Mark Isaak] 对于进化论的
五个主要误解
[Michael Schermer]我错了
观点
[逍遥]杰奇的故事
历史
[陶世龙]孕育黄河文化的地质环境
1.黄河流域的地形特征
2.地质基础与黄河文化的关系
3.黄河流域的地质演变的关系
4.黄河的诞生
[异调]ENIGMA的兴亡（二下）
[碧声]伦敦雾的故事
书评
[碧声]认真地梦想
——读《地外文明探秘》
辨伪
[柯南]别闹了，月亮先生！
[方舟子]“不明飞行物”并非不明
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三思言论集
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进入此间者，万念皆抛弃 ——但丁《神曲》
我 心 深 处
——寻找银河系中央的黑洞
 碧声 |  |
挣脱引力束缚并不是一件容易的事，正常情况下苹果总是
从树上掉下来砸到头，而不会飞上天；身怀绝世武功的大侠们
在电影里飞来飞去，但人人都知道他们身上吊着钢丝。直觉和
物理计算都表明，向上起跳的速度越大，便能离开地球愈远。
大到某一程度，就可以最终离开地球永远不必回来，这个速度
称为“逃逸速度”。地球的逃逸速度是11.3公里/秒，即每小时
4万公里以上，是音速的 20 多倍，这可不是一个小数目。发射
宇宙飞船时，巨大火箭里装的那许多氢燃料，仅仅是为了使飞
船达到逃逸速度。进入外层空间之后，航天器需要消耗的燃料
实际上就甚为有限了，借助惯性、推进器微小的作用力、附近
天体的引力，便可以轻松地飞行很远。
很显然，如果地球的质量保持不变，而体积缩小，生活在
地表上的我们就会觉得自己变重了，想要逃脱也更加困难。假
如地球缩成半径为 9 毫米的一个小球，其表面的逃逸速度就会
达到真空光速。越过这一界限，将没有任何东西能够逃脱，因
为真空光速已是我们这个宇宙中的速度极限。光从这样小的地
球表面发出，也将像往上扔的石头一样，仍旧会落回地面。外
来的物体可以继续往下落，它将照单全收，但不会再有任何东
西——包括光在内——能够离开它。除了一个只吞不吐的无底
黑洞，没有更好的词汇能够描述它了，尽管它并不是一个普通
意义上的洞。
这个9毫米，称之为地球的“史瓦西半径”（Schwarzschild
Radius，名字听起来有点高深古怪， 其实只是取自提出此概念
的那位科学家K·史瓦西）。给定任何质量的天体，理论上都
可以算出它的史瓦西半径——比如太阳的大概是3公里。 计算
公式非常简单，虽然据说一个公式就会吓跑一半的读者，还是
容我把它写出来，诸位如果有兴趣，可以自己算一下任何天体
的史瓦西半径：
Rs＝2GM/c2
其中M为天体质量，G为万有引力常数6.67×10-11m3kg-1s-2，
c为真空光速3×108ms-1。注意这里使用的是米·千克·秒的单
位制。
如果天体收缩到小于它的史瓦西半径，它便荣幸地成为一
个黑洞——至于地球和太阳究竟有什么理由要缩到那么小，那
是另一回事。一般说来，一颗恒星的质量必须超过 3 个太阳质
量，才有可能在自身引力的作用下坍缩到自己的史瓦西半径以
内。据英国物理学家霍金说，在宇宙大爆炸之初的极端条件下，
小块物质受到外界的强大挤压作用，可能会形成极为微小的黑
洞。很有趣的理论，不过尚无证据。
一旦越过史瓦西半径这个界限，就没有任何力量能阻止恒
星继续收缩，理论上它将一直缩小到变成一个体积为零（因此
密度变得无限大）的“奇点”（Singularity Point）。 别问我这
个奇怪的点是什么玩艺儿，据称一切现有物理规律——无论是
牛顿力学、相对论甚至那本身已经足够怪异的量子论——对它
都不适用。既然如此，且把这个问题留给物理学家们去头痛吧。
我们只需要知道，在最简单的描述中，黑洞是这样子的：一个
有着巨大质量的无体积的奇点，被一个并无实体的球壳所环绕
（就像光暗分明的边界上并无一层实在的隔膜），其间皆是虚
空。球壳半径即史瓦西半径，这个又称为“事件视界”（event
horizon）的球壳，隔开我们熟悉的宇宙空间与黑洞内部那一去
再不能回头的未知世界。
黑洞的最简单示意图
在科幻小说里，黑洞是一个被经常（有时候并不恰当地）
使用的概念。如果不考虑人们理解得是否准确，这个词的流行
程度在天文词汇里要算一等一的。但优美的理论推导与公众的
热情不代表事实，总要找到确切的存在证据才算是修成正果。
“观察黑洞”听起来与“在漆黑的夜里寻找一只乌鸦”同样愚
蠢，不过黑洞往往并不以黑暗为保护色潜藏在角落里，而是处
在明亮的区域之中，因此“看”到一个完全不发光的东西并不
太荒谬。人们已经通过种种间接手段探测到不少可能是黑洞的
天体，大中小尺寸齐全——不过仅是“可能”，也就是说它们
是看上去符合黑洞特性的候选黑洞，尚待验明正身。除非有特
别可靠的证据，科学家一般不愿意把话说得太满。
许多天文学家相信，星系的中央通常都有一个黑洞，吞食
着星际气体尘云和恒星，不断地变得更重。据猜测，银河系的
中央——银心——也有这样一个黑洞。要想证明黑洞确实存在
（确实有科学家怀疑是否真有这种东西），格外仔细地研究一
番我们所处的这个星系的核心，总是不错的。从地球上望去，
银心位于人马座方向，掩藏在一片气体尘云和人马座里的一簇
恒星之后。离真正的银心最近的天体，是1974年发现的一个明
亮的致密射电源人马A*（念作Sagittarius A Star）。在离它 1 光
年的范围里，拥挤着1000万颗恒星。（太阳周围 1 光年内别无
其它恒星，最近的是 4.3 光年外的半人马座比邻星， 由此可以
想象一下人马A*区域的天空明亮到什么程度）。
图：人马A*的X射线图像，钱德拉望远镜摄
绕人马A* 运行的恒星中，有几颗与银心的距离仅7个光日
（光在7天里走过的距离，大概是1800亿公里，这个“仅”当然
是天文尺度上的“仅”），运行速度达到每小时500万公里（折
合每秒1390公里，相比之下，地球的公转速度是每秒30公里）。
根据这个相当疯狂的轨道可以推算出，人马 A* 的质量约为260
万个太阳质量。排除了许多其它可能，黑洞似乎就在眼前，然
而推导在这里遇上了困难。史瓦西半径与质量成正比，既然太
阳的史瓦西半径是3公里，作个简单乘法，260万个太阳质量的
东西，其史瓦西半径便是2,600,000×3=7,800,000公里，把这样一
个黑洞放在太阳的位置上的话，其事件视界还远远够不到水星。
附近恒星与人马A*的最近距离为1800亿公里，比这个黑洞应有
的史瓦西半径大30,000倍。这样的话，要说人马A* 是一大堆不
发光的暗星，也说得过去。
怎样给人马A*“减肥”，使它小到只能用黑洞来解释？在
2000年底， 美国宇航局的钱德拉X射线太空望远镜走运地抓拍
到了人马A*区域一次非常寻常的闪光。麻省理工学院的科学家
在分析数据之后于今年9月6日在英国《自然》杂志上报告说，
这次X射线爆发持续了3小时左右，其间人马A*每秒释放出的X
射线数量是平静时的45倍。物质在被黑洞吞食时，会以螺旋的
轨道跌入事件视界，就像水中的漩涡那样，在这期间物质的速
度会不断加快，温度升高，从而释放出X射线。这些 X 射线经
常被当作寻找黑洞的线索。
想象图：物质正在跌入一个黑洞
这次X射线爆的特别之处在于， 在爆发期间，其强度曾在
大约10分钟内急剧降低，随后在差不多的时间内恢复到较高的
水平。正是这个罕见的现象，大大增加了人马A*是黑洞的可能
性。天体释放出光或射线的强度变化，是衡量天体尺寸大小的
重要手段。微小的波动可能只与天体的局部有关，但重大变化
必定与整个天体有关。既然没有东西能运动得比真空光速更快，
人马A*的X射线辐射强度在10分钟内发生显著改变， 意味有某
种效应在10分钟内传遍了人马A*所有区域，因此其尺寸不可能
超过光在10分钟内走过的距离。这就好比，局限于内部信息传
递的速度，一个过于庞大的机构改革起来总需要比较长的时间。
想象图：包围在人马A*黑洞外面的气体
根据天文学家的计算，包围在人马 A* 的核心外部、释放
出X射线的这些炽热气体， 分布区域的尺寸不会超过太阳与地
球的距离。比起该黑洞应有的史瓦西半径来，这个区域的半径
仍然要大出20倍左右。不过比起先前的 30,000倍来，已经是很
大的进步了，基本可以排除其它暗天体的可能性。科学家认为，
这是目前银河系中央存在黑洞最强有力的证据——虽然还不是
绝对的。 这次X 射线爆到底是否从人马A*发出的呢？ 又或者
只是相同方向上更近或更远天体活动造成的错觉、愚弄了我们
一把？ 根据观察，在这次X射线爆期间，人马 A* 的射电辐射
强度也增加了，这表明错觉的可能性不太大。天文学家们正在
调动其它设备进行协同观察，希望今年年底前拿出一个确定的
结论。
需要蛇足一句的是，银心黑洞被证实将是一件值得十分高
兴的科学发现，请不要担心它会像腐败分子造成的那种黑洞那
样，将银河系从内到外腐蚀到垮台。在足够远的距离上，黑洞
的引力效果与一个同等质量的普通天体并无不同。
关于黑洞的常见问题
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