《BBC知識》黑洞不是你想的那樣

■ 黑與白都不算是顏色,就藝術而言它們象徵復古風,以物理來說它們分別代表「沒有」以及「充滿」電磁輻射,但妙的是,科學上以黑為名的專有名詞似乎遠多於白,畢竟用黑或暗來掩飾人類對於未知事物的無知,是再簡單貼切不過。「黑暗物質」及「黑暗能量」都是典型的例子。

作者│吳俊輝

當今黑洞已不只是個科學名詞,更常被拿來做為電影的素材,甚至用以探討哲玄學。若撇開科學不講,黑色的洞可就有萬種風情,無時不挑戰著人類想像力的極限,倘以偉大論之,雖不中亦不遠矣;但若要談物理,那或許就和你想像的不大一樣了。以下,我就來談談幾個常見的黑洞迷思。

黑洞是什麼?

黑洞的概念可遠溯至十八世紀,然而它的科學內涵是在愛因斯坦提出相對論後才得以落實,至於黑洞一詞則是在1967年由約翰‧惠勒(John Wheeler)提出(參見本期專文〈觀測黑洞大胃口〉)。簡單的說,「黑」就是看不見,「洞」則意指進去就出不來。

要明白黑洞不難,但且先聽我的兩分鐘相對論課程。依據廣義相對論,當空間中的物質集中於一處時,會造成其四周時空結構扭曲,很類似透過凹透鏡(會讓影像縮小)所見到的影像扭曲,這會讓行經其四周的物體(包含光在內)的路徑向中心偏折,表面上就像是受到一個指向中心的拉力,該表象性的拉力就稱做「重力」。重力和牛頓的萬有引力不同,因為後者的著眼點在於「凡具質量的物體間都會產生一股引力」,而光子沒有質量,所以依牛頓的理論,光並不會無故地偏折,也因此不會有黑洞。

當上述物質集中程度達到極限時,附近的光線路徑便會被極度扭曲,以致任何前進方向的盡頭,都會指向物質集中的中心點,光既然繞不出來,就稱做黑洞。光和任何東西都繞不出來的範圍邊界,就稱為「事件視界」(event horizon),它像是個球面,一旦進入了該球面便再也出不來。

黑洞都很大嗎?

所謂黑洞的大小,就是指上述「事件視界」的大小,既然黑洞主要是透過物質集中所造成的時空扭曲而形成的,那麼只要物質夠集中便可形成黑洞。例如將太陽由原本的直徑一百四十萬公里壓縮至六公里那麼小,便能形成黑洞,或將平常質量約十公克的原子筆壓縮至一垓【註1】分之一奈米小,也能形成黑洞。

黑洞的直徑和質量成正比。也就是說,黑洞可以是很小,只是在宇宙中要自然形成黑洞,通常質量都要超過太陽的三倍。目前在宇宙中已觀測到的可能黑洞中,質量最大的約為太陽的百億倍,直徑將近一千億公里,約為目前太陽大小的數萬倍。我們銀河系中心的可能黑洞,質量約為太陽的四百萬倍,直徑約為太陽的十多倍。

黑洞是不是很危險?

黑洞的主要特性就是黑,它在形成黑洞前、後的質量並無變化,僅是體積改變,因此並不能說是危險。舉例來說,如果有外星人惡作劇地以高科技將我們的太陽壓縮至六公里大小而形成黑洞,那麼各行星繞日的行為及週期都不會受影響,只是我們會看不見日光、失去白天而已,但一年仍是365.2422日。

設想若將原子筆壓縮而形成迷你黑洞,那麼它便會很淡定地向地心落去,往地下打出一個迷你小洞,因為所經路徑的物質會因接觸到事件視界而永遠被吸入黑洞,但其四周的物質則沒事。既知如此,我們當然也不用擔心銀河系中心的大黑洞會吞噬掉我們。

黑洞很黑嗎?

乍看之下黑洞是不發光的,但若將相對論和量子理論結合,便會發現黑洞其實可以發出微微的亮光,這就是著名的「霍金輻射」。也就是說,當粒子和反粒子在黑洞外圍因量子擾動而成對出現時,反粒子會傾向被吸入黑洞,而粒子則被拋出。反粒子的質量是負的,因此在和黑洞結合後,會使黑洞的質量漸漸變小,因此從遠處看去,就好像黑洞漸漸在蒸發一樣。

依理論推測,霍金輻射的強度會隨黑洞變小而變強,但因為該輻射實在還是太微弱了,目前尚無觀測證據,否則霍金教授肯定會得諾貝爾獎。

黑洞有很多嗎?

一般相信,宇宙中幾乎所有星系的中心都有一個「超大質量黑洞」(質量為太陽的百萬倍以上),而可見的宇宙範圍中約有千億個星系。在一個星系裡,大約每一千顆恆星中,就可能有一個普通質量的黑洞(質量僅約太陽的數倍),它們大多是在恆星演化末期死亡時、由超新星爆炸後的餘燼所形成,而我們的銀河系中約有千億顆恆星,因此推測約有上億個黑洞!我們目前僅(間接)觀測到十多個,離我們最近的約為一千六百光年遠。

黑洞可以人造嗎?

理論上黑洞可以人工打造,只要將物質集中在夠小的區域內即可。猶記得不久前曾有報導指出歐洲的大型強子對撞機(LHC)可能製造出黑洞,結果引來各方撻伐,認為它有危害地球之虞。事實是,製造出迷你黑洞是有可能的,因為透過對撞機可瞬間營造出物質極度集中的環境;但危害地球之說則是多慮了,頂多是在地上打個小洞而已。

黑洞真的存在?

這是個最難回答的問題。黑洞學家大多認為存在,但事實是目前尚無直接的觀測證據,只有理論推測。至於偶爾會聽說的「白洞」,則純粹是科幻小說裡的名詞。黑洞固然不會發光,但不表示宇宙中不發光的就是黑洞,也就是說,目前科學家在觀測上所指稱的黑洞,其實不見得就是相對論中的那種黑洞,而是指大質量、小體積、不發光的天體。其他的理論可能性、可取代黑洞模型的還包括夸克星、Q恆星(Q star,又稱灰洞gray hole)、先子星(preon star)等等。黑,固然導致觀測上的困擾,但也因此為我們的想像力留了一扇唯美神祕的窗!

【註1】一垓等於一億乘一兆;一奈米等於十億分之一米。

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作者/吳俊輝 台灣大學物理系暨天文物理所教授,劍橋大學宇宙學博士。

●本文選自《BBC知識國際中文版》第25期(2013年9月號)。版權所有,轉載請註明出處。

責任編輯:Nita Hsu

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