【物理史上的一月】1965 年 1 月:潘若斯(Roger Penrose)開創性地證明了黑洞

1965 年 1 月:潘若斯(Roger Penrose)開創性地證明了黑洞

潘若斯(Roger Penrose)

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 1 月)

卓越的物理學家潘若斯(Roger Penrose)因「發現黑洞的形成是廣義相對論的確鑿預測」,和根策爾(Reinhard Genzel)以及蓋茲(Andrea Ghez)因「發現位於銀河系中心的超大質量緻密天體」,同獲 2020 年諾貝爾物理獎。其實,黑洞的初步概念可以追溯到 18 世紀,在愛因斯坦形成他的廣義相對論之前,也在潘若斯的發現之前。

英國天文學家米切爾(John Michell)於 1783 年 11 月寫了一篇奠基性論文,後來發表在皇家學會的雜誌上,是最早猜測類似黑洞物體存在的人。他的目的是要找出測定恆星質量的可用方法,他認為他能測量從恆星出來的光通過稜鏡後光速會減少多少;光速會因為能量減少而有不同的偏折,他相信可由此比較不同恆星曲折的影像來決定它們的表面重力,再計算它們各別的質量。

米切爾了解脫離速度的概念,這關鍵的速度是由恆星的質量和體積而定。他再三思考,假如星體很龐大,它的重力很強大,以至於脫離速度和光速相當的話會怎樣,他下結論說:

「如果和太陽密度相同的星體半徑比是 500 比 1,並假設光被星體所吸引的引力與其質量成正比,如此星體所放射出的光將會被它自己的引力吸引回去。」

這就會讓天文學家看不見那顆恆星。他認為宇宙間可能有許多這樣的星體,但因為它們沒放射出光線,所以無法偵測到。米切爾也推測說,雙星系統的運動可能可以幫助科學家間接偵測到這些「暗星」。

大約 13 年後,法國的博學家拉普拉斯(Pierre Simon LaPlace)也獨立地得到相似的結論。在他 1796 年的專著《宇宙系統論》(Exposition du Systeme du Monde)中,他特別考慮一個密度是太陽 4 倍的恆星的情形,並提出明確的數學方程式說明米切爾「暗星」的假設。

100 多年後,愛因斯坦提出他的廣義相對論,徹底改變了我們對於時空和重力的理解,開啟了一個全新的理論領域。物理學家立即開始探討那些可能性,最有名的是史瓦西(Karl Schwarzschild),他在第一次世界大戰期間正在前線服役。史瓦西一面躲避激烈的砲火,一面計算愛因斯坦場方程的各式解答,最終發現那些方程組都會「發散」的一個點。此研究就是我們現在所知的黑洞(狄基,Robert Dicke, 於 1960 年造了這個詞,而惠勒,John Wheeler,將它普及。)早期的數學描述。

之後數十年,物理學家大都認為黑洞純粹是理論上奇特的東西,而不是真的會存在於宇宙間。即便如此,在 1930 年代,歐本海默(J. Robert Oppenheimer)和史奈德(Hartland Snyder)還是以數學說明一個巨大的恆星可能崩塌而形成黑洞。他們於 1939 年的論文中下結論說,黑洞會「自己阻斷和遠方觀察者的任何聯繫;唯有它的重力場持續存在。」

但是大部分得到的解都假設恆星和黑洞均有理想完美的對稱,而真實的宇宙則凌亂多了。1963 年發現的類星體大大地改變了大家討論的內容,因為物理學家了解到,宇宙中來自最明亮物體的輻射源,都是正在掉落入巨大黑洞中的物質。

再來談到潘若斯,他接受挑戰,思考黑洞可能形成的真實機制。潘若斯選擇在當時相當先進的方法:他不考慮時空複雜的幾何結構,而著重在拓樸空間。

潘若斯在倫敦散步時得到此突破性的深刻想法,他想像所謂的「閉陷表面」:一個封閉的的二維表面,會將所有的光線集中到無窮緻密的中心,就是我們現在所謂的黑洞奇異點。他同時使用以他命名的潘若斯圖表來說明,一旦這個閉陷表面形成的話,根據廣義相對論,朝向奇異點崩塌是不可避免的。這個結論就是 1965 年 1 月發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的論文,標題為〈重力的崩塌和時空的奇異點〉(Gravitational Collapse and Space-Time Singularities)。

4年後,潘若斯推測出他的「弱宇宙審查」假說,接著於1979年又提出「強宇宙審查」假說,這仍被廣泛認為是理論物理學中最重要,但尚未解決的挑戰之一。假說主旨:黑洞的奇異點不能是「裸露的」;它一定要被禁錮住,永遠躲在事件視界(event horizon,不可能從該區逃離的邊界)裡,然而,會有一個看得見、強烈彎曲(雖然有限)的外部區域。

潘若斯甚至還想出一個複雜的過程(現在稱它為潘若斯過程),在過程中可能擷取一些運行中的黑洞重力能量,具體地說,時空會沿著黑洞轉動被拖曳著,由強大的重力而產生強烈的效果。就在事件視界外有「動圈」(旋轉黑洞外面的區域),在動圈內的每個觀察者也都會被拖著和黑洞一起轉動。

潘若斯想像,去發射一個拋射體進入動圈,讓它裂成兩半,一半掉入黑洞中,而另一半逃逸。這個過程可以產生半個逃逸,從黑洞擷取能量,攜帶的能量比原先的拋射體還多。布蘭德福(Roger Blandford)和日納傑(Roman Znajek)後來使用此概念,建造了他們從轉動的黑洞產生能量實際可行的模型。

黑洞不再只是主要存在於理論中的奇特天體,它繼續吸引著物理學家,在理論和實驗上都有所突破。根策爾和蓋茲在我們銀河系中心發現了一個超大質量的黑洞存在,已被諾貝爾審查委員會所認可,這將有助於黑洞的研究,除理論外,注入活力。。

潘若斯在《物理評論快報》的論文圖表,說明物質(下方)掉進黑洞奇異點(粗的垂直線)的情形。

     

 

 

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