宇宙黑洞是什么?–宇宙中的诡异星体

今(2005)年是科学巨擘爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)发表光电效应、布朗运动、相对论等一系列重要论文的100周年。他所提出的时空交错、时空弯曲概念震撼科学界,而已落实在天体研究上的黑洞更令人充满遐想。尤其在最近几年的科普演讲中,老是有人举手发问:「黑洞究竟是什么呢?」这和早期人们经常问爱因斯坦:「为什么时间会不一样,什么是相对论?」的情形颇为类似。

爱因斯坦在1905年发表相对论,当时人们对于时空的概念仍是根据牛顿所说:「时间和空间是绝对的,我和你测量的时间是一样的。」然而,在相对论中却有另一个全新的概念—  我们两人测量的时间有可能是不一样的。为什么呢?这和两人所在的座标系有关。

比方说,有一位探险家正搭乘一艘飞船从地球出发往半人马座α星飞去。又假设,飞船上有两个平行放置的镜子,且有一粒光子在中间奔跑,当光子碰到其中一面镜子时,因反射而触碰另一面镜子,然后再反射,再触碰,每触碰一次就发出滴答一声。由探险家所在座标系看,光子跑的是垂直于镜面的路线,每隔一秒钟就有一次滴答声。但对留守地球的观测者来说,两面镜子正往恆星方向移动,光子须跑斜线才能从上方镜面跑到下方镜面,所以跑的路线比较长,滴答声的前后间隔会超过一秒钟。

当探险家到达目的地后,虽然所记录的滴答声总数和地球观测者一样,但因听到的滴答声间隔比较短,所以他所测量到的时间比地球观测者的短。又因为运动是相对的,所以探险家可以理直气壮地认为自己是静止的,而是地球和半人马座α星正以同样速度往相反方向运动。正因为他测量到的时间比较短,所以会认为地球到半人马座α星的距离比较短。这就是相对论的时空结构:相对于静止物体,在运动座标里,时间过得比较慢,而且运动方向的长度也比较短。

相对论的3个基本假设

上述例子得到的结果,导因于相对论3个基本假设中的第1个和第2个假设-惯性座标等效性和光速恆定性。

惯性座标的概念是伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)首先提出来的,后来被牛顿(Isaac Newton,1642-1727)总结成为第一运动定律:如果一个粒子在不受力情况下,它的速度会保持恆定而且方向不变,在一个座标系里,如果粒子的运动遵守这一定律,我们便称它是惯性座标。爱因斯坦认为,物理法则在所有的惯性座标里都是一样的,而且运动都是相对的。我们没有办法挑选出一个绝对静止的粒子。

相对论的第2个基本假设是光速恆定性。在这之前已经有马克士威尔(James Clerk Maxwell,1831-1879)从电磁学理论中推导出一个结论:电磁波如果做为一种波在真空中传播,它的速度是一个常数。可是这个理论没有提到电磁波传播的速度是在哪一个座标系里面测量的。爱因斯坦把电磁学理论的结果提升做为第2个基本假设-在任何座标系下,光子跑的速度(简称光速)是一个恆定常数。

就在爱因斯坦发表相对论11年以后,也就是1916年,他又发表广义相对论,人们便把较早的理论称为狭义相对论。狭义相对论主要在表达:只要你在做直线等速运动,你所经验到的物理定律,会和任何做直线等速运动者所经验的一样。广义相对论则表达:重力(就是牛顿说的万有引力)是因为物质弯曲了附近的时间空间结构所产生的结果。且在正常情况下,一个物质在太空中会循着直线跑,但若跑进一个弯曲的时空里面时,它所跑的路线会随着时空弯曲而弯曲。
 
可是,为什么时空会弯曲呢?这主要和加速度反重力场有关。相对论的第3个假设,就是加速度与重力场的等效性假设。要说明这个假设,可从亚里斯多德(Aristotle,384-322 B.C.)、伽利略和牛顿的一段小故事说起。

亚里斯多德学说是16世纪的经典知识,他的自由落体学说认为:重的东西往下掉的速度比较快。但是伽利略不认同这样的说法,相传他从比萨斜塔上丢下两个重量不一样的东西,目的就在证明它们会同时掉落地面。

当时的伽利略还因为这个想法而遭迫害,但他坚持真理,并在日记中写下来:如果从高处扔下两个质量不同的东西,比如一个铁球及一个木球,倘若亚里斯多德是对的,那么,比较重的铁球应该掉得比较快。倘若把两个东西绑在一起往下扔,因为木球会把铁球往上拉,所以掉落的速度比铁球慢。可是,两个东西绑在一起以后的质量比铁球大,如果亚里斯多德是对的话,那么,质量大的东西掉的速度应该比较快才对。显然前后两个结果相互矛盾,如此说来,亚里斯多德的假设是不成立的。

长久以来,这两位大师的想法一直相持不下,后来牛顿以他的第二定律和万有引力跑出来打圆场。牛顿第二定律认为:一个东西的加速度乘上它的质量,等于它所受到的外力。倘若加上万有引力公式,就可获得结论如下:所有东西往下掉的速度都一样快。不过,以现在的科学知识研判,虽然牛顿所说的结论是对的,但是他的第二定律和万有引力定律仅是近似的,解释这个结论的正确理论应该是爱因斯坦的相对论。

只是为什么东西掉落的速度会和相对论扯上关係呢?假设有一座电梯放在地球表面,并在电梯里悬空放了3样外型不同、质量不同、组成成分不同的东西:1辆车子、1个瓶子、以及1颗苹果。根据前述结论:在重力场中所有东西往下掉的速度都一样快,所以对电梯里的人来说,他所看到的3样东西会一齐往下掉。但是我们也可以从另外一个角度再思考一次,假设电梯里的3样东西都静止不动,只是电梯在往上加速而已,这时电梯里的人会因为电梯正以重力加速度往上提升而撞到原本悬空,但仍静止不动的东西。

从上述两种不同思考中可知:我们对于所观察的物质,实在无法分辨它到底是在一个加速度的座标系里面,还是在一个具有重力场的地球表面。这里的意思是说,加速座标系和重力场其实是没有区别的,这就是相对论的第3个假设:加速座标系和重力场是等效的。

同样地,倘若在某个往上加速而没有重力的电梯里观察光子,虽然光子以水平方向进行,但对电梯里的人来说,他看到的是行进路径有点弯曲的光子。这时的光子,从电梯侧上方跑进来,慢慢缩短和电梯地面的距离,最后从电梯侧下方跑掉。在这里可以得到另一个概念:在重力场里面,光子跑的路线是弯曲的。

时间空间会弯曲

对于光线会弯曲的说明,我们可用狭义相对论和牛顿力学的概念做解释。假设太阳后面有两颗恆星,从地球上望过去,你会发觉,由恆星那儿跑出来的光线在太阳附近受到重力影响而弯曲,然后进入我们的视线。也就是说,如果对着太阳看,原本位在太阳后方的恆星,看起来好像是位在太阳的左右两边。

对于这个说法,爱因斯坦又有不一样的想法。他认为,或许是组成太阳的物质把太阳附近的时空弯曲了,所以在观察两颗恆星发射出来的光子时,因它是从弯曲的时空里面沿着最短路线跑出来的,所以光子跑的路线看起来好像是弯曲的。

这两个思考模式都可以解释为什么光子会弯曲,但在应用相对论公式计算时,你会发现,这些光子的偏差角度,比牛顿力学加上狭义相对论所计算出来的偏差角度要大上一倍。到底哪一个情况比较接近事实呢?这时候只好以实验来判别了。

很幸运的是,我们想知道的实验答案在1919年揭晓了。有一位天文学家利用日蚀机会测量光子角度偏差的大小,最后得到的数值和广义相对论所计算出来的一样。也就是说,从科学实验中所得到的恆星角度偏差,比用牛顿力学加上狭义相对论公式算出来的大一倍。而且现在的科学知识也已经知道,不仅空间在太阳附近是弯曲的,就连时间在太阳附近也是弯曲的。

如果再仔细推敲爱因斯坦的3个基本假设,我们还能获得许多心得!譬如说,时间和空间是一家人,我们无法很明确地把时间和空间切开。又例如,时空是弯曲的,重力场会让光子弯曲。甚至知道,太阳的重力场和黑洞的重力场比较起来,真是小巫见大巫呢。

超大恆星挤成一点点

这些基本概念愈来愈清楚以后,就可以进一步了解黑洞。因为黑洞是从星体演变来的,所以应该从星体谈起。

星体由气体组成,以我们熟悉的太阳为例,它的外部有气体,内部有燃烧的核反应,因为核反应所产生的对外压力可以把气体撑住,并和太阳重力抗衡,所以太阳是一颗很稳定的恆星。万一星体内的燃料烧完了,核反应便停止,这时的星体会因为无力顶住万有引力而往内塌缩。从量子力学可知,电子具有相斥性,当两个电子靠得很近的时候会产生简併压力。所以当星体往内塌缩到某种程度时,里面的电子会产生简併压力而与重力相抗衡,如果两者达到平衡,这时候的星体就是白矮星。

只可惜电子能够支撑的简併压力只有1.4个太阳质量那么大,万一塌缩后的星体质量超过1.4个太阳质量,就没有办法再撑住,于是星体里面的电子只好敲开原子核,与质子反应形成一大堆中子。然而中子和电子一样,不喜欢两两挤在一起,所以恆星的残骸会继续收缩,直到中子的密度足以抗拒重力压缩时才停止,这时候的星球内部只剩下中子,所以称为中子星。

截至目前为止,科学界对于中子星的内部结构仍不十分了解,就现在的推估所知,中子星的质量必须小于3.2个太阳质量,否则中子的简併压力仍然撑不住。但是,万一塌缩后的质量超过3.2个太阳质量,又该怎么办呢?那就没什么东西可以支撑了,所以重力塌缩会一直进行,一直到所有东西都挤到一个点上为止,这个点就是奇异点。

黑洞很单纯也很恐怖

1973年,史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking,1942-)与罗杰‧潘若斯(Roger Penrose,1931-)推测每一个黑洞里面都有一个奇异点。这个奇异点具有无限大的重力场和密度,且在某个範围里面,它的重力强度可以大到连光线也逃不出去。这种让光线逃不出去的範围边界称为视界,无论光线或物质,都只能从视界外面进入里面,但是无法从里面跑出来。黑洞,就是躲在视界后面的神祕区域。如此说来,黑洞应该是一个非常单纯的星体,因为它只有一个奇异点和环绕在奇异点外围的视界。

或许你想知道更多与黑洞有关的知识,再举两个例子。如果我们把地球上所有的人叠在一起,然后从外面施加压力,把大家揉成一个黑洞,这个黑洞有多大呢?大概是一个质子这么大。如果把地球上所有的东西都挤到一个点上,让它形成一个黑洞,这个黑洞究竟有多大呢?大概是一个铜板这么大。现在你可以发挥想像了:如果地球的质量全都集中在一个铜板大小的範围内,这时的重力强度是何等的巨大与恐怖啊!

黑洞概念来自相对论

最早提出黑洞概念的人,是二百多年前的剑桥学者约翰‧米契尔(John Michell,1724-1793)。虽然在他那个时代只有牛顿的绝对时空概念,但他依然在1783年提出与黑洞有关的想法-当一个物体的脱离速度大到无限大的时候,就连光线也无法逃离它的吸引力。米契尔把想像中的星体称为「暗恆星」。

1790年,数学家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749-1827)利用牛顿力学公式演算,希望能找到隐形的恆星。奇怪的是,他所用的计算方法是错误的,但得到的答案却是对的。不过这也没啥大碍,因为在往后的一百多年中,人们对于黑洞依然没能说出个所以然来。

这个情形直到爱因斯坦广义相对论出现,把重力想像成一种「由时空弯曲所造成的万有引力」后,大家循着这个逻辑推导才建立起黑洞的基本概念。

更有意思的是,有一个叫做史瓦兹(Karl Schwarzschild,1873-1916)的人,竟然从超困难的爱因斯坦方程式中解出一个解,后来才知道,这个解可以用来描述一个不旋转黑洞(史瓦兹黑洞)的时空结构。紧接着,另一个叫克尔(Roy Kerr,1934-)的人发现了会旋转的黑洞。至于黑洞的名称,则是约翰‧惠勒(John Wheeler,1911-)在1967年提出的,且在那以后的70年代,就是人类研究黑洞的黄金时代。

黑洞不黑还很亮

黑洞不但不黑而且还很亮,可能的原因主要有两个。一是根据1974年霍金的黑洞蒸发理论,他把广义相对论与量子力学合併思考,即根据量子效应,黑洞的表面看上去应该会有物质往外面跑,这就是黑洞辐射。循这推衍,黑洞会被慢慢蒸发。可惜科学家看到黑洞辐射的机率微乎其微,因为小如一个太阳质量的黑洞,它的表面温度是10-8K,想要观测如此低温的象,本身就是一个高难度的极限挑战。更何况,这个黑洞如果被蒸发,需要1064年,这又是另一个遥不可及的极限时间。

黑洞很亮的第2个可能原因和重力位能的释放有关。当物质遭受重力吸引朝黑洞跑去时,因为角动量的影响,这些物质会在黑洞外围形成一个吸积盘。

由喀卜勒(Johannes Kepler,1571-1630)的行星运动三大定理可知,当各个气体绕着黑洞跑时,它的每一个半径转速不一样,这又表示,吸积盘上的两两气体环会互相摩擦,有摩擦就有热,一旦热到一定程度就会发射X光。这些由重力位能转化成的热能,会把吸积盘内的气体(因为非常热所以任何固体都会被汽化)热化成电浆。如果吸积盘里有磁场,电浆可能被加速到接近光速,形成我们观测到的高能喷流。

另外,有些黑洞会旋转,有旋转就有旋转能量,这些能量也可能被旋转磁场抽出来放到吸积盘上去,随即又被转换成喷流的能源。且当物质掉进一个旋转非常快的黑洞时,它会把总能量的42%释放出来。这些快速变化的能量,让黑洞变得非常光亮。如此说来,我们该用什么工具观测黑洞比较好呢?那些散落在宇宙中的黑洞,是不是也有大小等级的分别呢?

使用重力波观看宇宙

在观测黑洞的时候,科学家把黑洞分成3个等级。一个是由一般恆星塌缩后形成的轻量级黑洞,它的质量有十个到几十个太阳质量,密度很大,重力场很强。另一个是住在活跃星系核中心,每个质量约等于100万个到10亿个太阳质量的重量级黑洞。人们曾在我们的银河系和附近星系中观测到这类黑洞,所以重量级黑洞已证明确实存在。

然而在轻量和重量中间,有没有中量级黑洞呢?中量级黑洞的质量比轻量级大,所以在地球附近不容易找到,但它的质量又要比重量级黑洞小,所以不如重量级黑洞来得亮。如此说来,寻找中量级黑洞似乎是个不轻鬆又有点麻烦的事,还好一切顺利,人们真的找到一个约1千个太阳质量那么大的黑洞,从此确认了中量级黑洞的存在。

观看黑洞还有一个重要技巧,就是要使用正确的工具。我们原本习惯利用电磁波观测宇宙,因为电磁波容易产生,容易观测,但它有一个缺点—在传播中会受到物质的干涉。比方说,光子在传播电磁波的时候,如果碰到不透明物质,一部分光子会被吸收掉,另外一部分光子会被反射掉。

同理,如果用电磁波观看黑洞,因为黑洞附近有很多物质,当光子在黑洞附近产生时,若要传递到眼睛来,必须穿过这些物质,而在传递过程中就会产生很多吸收与反射,使得我们没办法看到最原始的光子,这是用电磁波看宇宙的缺点。

如果使用重力波就没这个缺点。因为重力波不怕干扰,可以穿透物质直接传播到观测者眼中,所以可以用重力波观看黑洞附近的时空结构。至于如何产生重力波呢?只要有两个重力场的东西互相绕行就可以了。例如,有两个黑洞互相绕行,或是一个中子星与一个黑洞互相绕行时,就能产生重力波。

真的有白洞、虫洞吗

既然有黑洞,那么有没有白洞呢?白洞是一个理论上的名词,科学家仍在努力摸索是不是真有白洞存在?不过就理论来说,黑洞是一个只能进不能出的洞,所有流进黑洞里的物质,是不是正等待宇宙的毁灭呢?还是正等待从另一个宇宙涌出呢?如果从另一个宇宙涌出,那么,和黑洞相反,能让所有东西只出不进的白洞,是不是就是这个「出口」呢?偏偏这个时候,科学家又蹦出另外一个想法—在这两个「洞」中间,是不是另有一个叫虫洞的「门」呢?

虫洞是科幻小说家很喜欢写的东西,在电影里面也曾出现这样的场-眼前突然出现一条扁扁的、狭长的细缝,从这里穿过去,立刻进入另一个时空,那地方,可能是未来也可能是过去。这条细缝,就是科学家朝思暮想的虫洞。如果纯粹从理论上说,我们应该可以形成一个虫洞,只是形成以后它非常不稳定,马上会消失,甚至无法让我们从虫洞里面穿过去。若以现代科学技术来说,要做虫洞仍是非常困难的事,然而弔诡的是,我们也没有办法证明做不出虫洞来。

引颈企盼量子重力理论

黑洞已经逐渐由理论的遐想成为观测事实,虽然我们没有看到黑洞的边缘,但在黑洞研究过程中,发现了许多有意思的事,重力波的运用就是其中一桩。

由于大部分物质对重力波来说是透明的,所以用重力波可以看到黑洞附近的时空结构,或是用重力波观看虫洞或白洞的时空结构。更妙的是,甚至可用重力波测试相对论的正确性。到目前为止,所有相对论实验都是在重力场比较弱的太阳系里面做,既然重力波可在超强重力场产生,那么,何不用它来检验在超强重力场里面的相对论理论,究竟是对还是不对。

最后提醒大家,奇异点的重力场很强、密度很大,时空曲力非同小可,这使得大家对于研究奇异点的物理性质跃跃欲试。就体积来看,奇异点非常小,所以需要量子力学帮忙。而它的重力场又非常强,所以需要广义相对论推导。只可惜,广义相对论与量子力学不和,到现在仍没有一个真正的理论可以把这两个理论结合在一起,所以大家只能耐心等待,等待「量子重力理论」诞生。若是你能发展出这样的理论,或许诺贝尔物理奖的得主就是你了!

附录

  1. 恆星的一生 星体由气体合成,当中心温度达摄氏1千万度以上时,会出现「氢融合成氦」的核能反应而产生光热,这时的星体称为恆星。如果氢数量过少,「氢融合成氦的能量」不足以维持稳定平衡时,即进入「碳氮氧循环核能反应」的「变星」阶段,这时星体四周满是快速扩散、逐渐降温的红色气体,称为红巨星。然而星体质量大小不一:质量和太阳差不多的星体,在中心燃料烧完时会停止核反应,内部即失去支撑力,星体往内塌缩变成白矮星。至于质量是太阳数倍的星体,在燃料耗尽时会膨胀爆炸,发出亮光,把物质以接近光速速度抛向四方,这就是「超新星爆炸」。超新星爆炸后,质量超过1.4个太阳的星体,其所留下的核心会变成一颗体积很小质量很大的中星;质量超过3.2个太阳质量的星体会一直塌缩,直到一个点上为止,这个点就是奇异点。奇异点和环绕在奇异点外围的视界称为黑洞。
  2. 根据量子效应,黑洞的表面看上去应该会有物质往外跑,这就是黑洞辐射。又受角动量影响,黑洞附近的物质会形成高能喷流,当物质掉进旋转非常快的黑洞时,会把总能量的42%释放出来,这些快速变化的能量,会让黑洞变得非常光亮。这是黑洞不黑反而很亮的原因。
  3. 我们习惯利用电磁波观测宇宙,如果用电磁波观看黑洞,当光子在黑洞附近产生时,在传播中就会受到黑洞附近物质的干涉,然而由于重力波不怕干扰,所以可以用重力波观看黑洞附近的时空结构。

科学是一种生活的态度,是一种运用逻辑思考的方法和追根究柢的精神,去解决在日常生活上和宇宙探索中所遇见的问题的态度。

 

 

 

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简介:这个外型宛如一朵莲花的白色