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宇宙的本質(第十七章黑洞)
在超新星爆发后, 如果恒星剩余质量超过二或三个太阳质量, 中子简并压力亦不足以抵抗向内的引力, 这时在已知的物理理论里面, 再没有更强的力能足以与引力一决雌雄, 恒星只可以不断塌缩, 成为黑洞。



黑 洞

如我们把一颗石块向上抛, 它会很快跌回地面, 我们用点劲抛, 它会飞得高一点; 假若再加把劲, 令石块向上速度达 逃 逸 速 度 , 它便会直冲出宇宙, 一去不返。

恒星质量越大, 体积越小, 引力的羁绊便越大, 所需逃逸速度亦越高。另一方面, 爱恩斯坦的相对论断言宇宙中最高的速度便是光速, 所以如所需的逃逸速度大于光速, 那么宇宙中包括光在内的一切都不可能逃离引力的魔掌, 这颗恒星便成为 黑 洞

不 了 解 广 义 相 对 论 , 便 不 能 真 正 了 解 黑 洞 。广义相对论的中心思想是质量会扭曲其附近的时空, 质量越大, 影响越明显。牛顿力学认为月球绕地球旋转, 是因为月球受到地球引力的吸引; 但广义相对论的说法则是地球的质量扭曲了附近的时空, 月球在不平坦的时空以最自然的方式运行, 结果走出了一条绕着地球转的曲线, 情况就如弹珠在不平坦的地面走, 会左摇右摆一样。同样道理, 光线在通过大质量物质附近时, 亦不会以直线运行。

黑洞是引力极强之地, 光线路径扭曲的程度, 足以令光线无法逃跑。在黑洞附近, 光线( 包括宇宙所有其他物质) 能否逃离的分水岭称为 事 件 穹 界 。为 甚 么 叫 事 件 穹 界 呢 ?原因很简单, 由于在事件穹界之内的一切皆不能逃离, 所以在这个界限以内发生的一切, 将永远不能为人所知, 事件穹界便是事件能为人所探知的极限。对 于 一 个 史 瓦 西 黑 洞 ﹐ 即一个并不自转和不带电的黑洞﹐ 事件穹界的半径称为 史 瓦 西 半 径 (RS) , 数值的大小只取决于黑洞的质量。

R S = 2 G M / c 2
公式中的M 是黑洞的质量, G 是引力常数, c 是光速。太阳质量的黑洞的史瓦西半径约为3 公里。在史瓦西半径以内的范围, 被定义为黑洞所占有的空间。

我 们 称 黑 洞 中 心 为 奇 点 , 很多人以为奇点是一个半径等于零但密度无限大的地方。其实, 比较正确的说法是我们根本不知道那里是什么一回事, 因为我们所知的一切物理定律根本不适用于情况如此极端的地方。

在事件穹界之外, 有一个称为 光 子 球 层 的 球 状 区 域 。在这里, 只要光线是以切线方式擦过光子球层, 便会被黑洞引力俘获, 沿着这球层像卫星一样永远绕着黑洞旋转。黑洞的可怕引力会随着距离递减, 事实上假若我们的太阳突然变成一个黑洞, 地球并不会感到太阳的引力有什么不同, 仍旧会依着同一轨道绕着太阳旋转。

假若有人跌进了黑洞, 会发生什么事呢?首先, 如你在远处看着这个不幸的太空人, 你会发觉开始时就如一切向下跌的物体一样, 他跌进黑洞的速度会越来越快, 当他接近黑洞, 奇怪的事开始发生, 你会发觉他开始减速, 越接近事件穹界, 他的速度便越慢, 一切变得像慢动作影片, 最后更仿似停留不动, 永远不能到达事件穹界!

但对这个不幸的太空人来说, 情况便完全不同。当然我们先要假设这个太空人有超人般的身体, 不会被黑洞的引力杀死。当他越来越接近黑洞, 黑洞看来会越来越大, 更开始包围着他﹐ 只剩太空船的尾窗仍可看到外面的宇宙, 但除此之外, 倒没有什么特别, 之后在极短极短的时间之内, 他便会撞上黑洞的奇点。



旋 转 黑 洞

旋 转 黑 洞 又 称 为 克 尔 黑 洞 , 它们的特性和以上所说的静止黑洞很不同。旋转黑洞有外内两个事件穹界, 而它们之间的区域称为 能 层 。在能层内的物质会被黑洞自转所带动, 但仍有机会逃离黑洞的魔掌。内事件穹界才是真正的死亡线, 一旦进入便永无翻身之日。

理论上, 我们是可以从黑洞中榨取它的自转能。方法是把一件物体放进能层, 然后把物体分成两部分, 让一部分堕进黑洞, 另外一部分逃离黑洞﹐ 若我们适当地选择它们的质量、 分离的时间等等﹐ 便可以让逃离的部分以更高速度( 即更高能量) 离开黑洞。或者在茫茫宇宙, 确有先进的天外文明, 利用这个方法抽取黑洞的能量呢!



寻 找 黑 洞

理论上, 我们永远看不到黑洞, 但这不表示我们没有办法找到它们。普遍原则是找一些黑而密度高的物体。

在事件穹界之外, 开普勒定律( 请参阅 第 四 章 ) 仍 勉 强 适 用 。我们可以量度绕着怀疑黑洞转的气体的速度( 利用多普勒效应﹑ 请参阅 第 五 章 ) , 然后利用开普勒定律, 计算出中心物体的质量下限。假若质量超过三个太阳质量, 而且它非常细小又漆黑一片, 我们便很有理由相信这是黑洞。

通常, 黑洞会被吸积盘所环绕, 两极更有喷流。当物质流入黑洞, 会发射出强烈的X 射线。找寻这些X 射线源亦是寻找黑洞( 或中子星) 的重要方法。

天鹅座X-1 便是最早发现的怀疑黑洞。这物体的伴星是一颗O 型星, 质量下限是七个太阳质量, 并会放射出X 射线。一切证据都显示它极有可能是黑洞。



非 星 体 黑 洞

理论上, 黑洞是没有质量的上下限。它们可以超乎想像的大和重, 我们称这种黑洞为 特 大 质 量 黑 洞 。我们在不少星系中心都找到这种黑洞。例如在M87 星系的核心内便有一个质量为3x109 个太阳质量, 但直径只有数光星期之内的物体, 只有黑洞才可能这么重而同时又这么细小。

鸣 谢﹕ STScI.

星 系 NGC4261 是 另 一 个 例 子 。吸积盘的质量不计在内, 星系中心物体的质量为1.2x109 个太阳质量, 大小却只和太阳系相若, 唯一解释便是它是一个特大质量黑洞。

鸣 谢﹕ STScI.



知 多 一 点 点

「 黑 洞 没 有 毛 发 」 原理: 十年之前, 我们相信黑洞是一个很简单的物体, 三个物理参数─ 质量、 角动量(如要求不严谨, 可把它看成为自转速度) 和电荷─ 便决定了它的一切, 两个黑洞只要它们这三个参数相同, 物理特性便完全一样, 黑洞最初由什么物质所造成是无关宏旨的, 由于黑洞是这样「 单纯」 , 光秃秃没有什么特征, 所以天文学家谑称「 黑洞没有毛发」 。对于真正的黑洞, 由于它的强大引力足以离子化附近的物质, 然后把自己中和, 所以应该没有黑洞是带电的。但我们最近发现, 在非常特殊的条件下, 黑洞可能有其他可观测的物理特性, 由于这牵涉高深物理, 在这里不再作进一步的探讨。

霍 金 蒸 发 : 到目前为止, 我们不断强调事件穹界是一条不归路。但真的没有东西可逃出黑洞吗?著名英国天文学家霍金得出了一个惊人的结论, 他发现理论上黑洞亦会如普通黑体一样发出辐射, 这便是霍金蒸发理论。原来黑洞亦有温度, 而它的温度和它的质量成反比, 即质量越大, 温度越低。普通星体所形成的黑洞的温度低至根本无法量度, 但只要我们能够找到小型黑洞, 其蒸发过程却是可以观测得到的。

小 型 黑 洞 : 到目前为止, 所谈及的黑洞形成机制只能产生质量大于太阳质量三倍的黑洞。我们相信小型黑洞只能在宇宙初开头一秒内的极端环境下诞生, 现在仍有小型黑洞存在吗?理论上是可能的, 但目前仍是疑案。

黑 洞 的 归 宿 : 若黑洞会产生辐射, 它便会逐渐失去质量, 当所有质量皆蒸发掉时会发生什么事?我们不知道, 科学家仍需努力。

虫 洞 : 在科幻小说里, 我们经常可以看到作者利用虫洞作为连接宇宙两处地方的捷径。小说中的英雄只要走进虫洞, 便可瞬间穿梭时空。到目前为止, 虫洞只存在于理论当中, 作为时空隧道它有极大的缺点, 它的两个出口皆是黑洞!当勇敢的太空人穿越虫洞后, 他会发觉自己被困在另一个黑洞中, 他或许可在刹那间看到宇宙另一处的景像, 但会立即撞进奇点而死亡。

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