国家地理杂志网站看到一篇不错的科普文 http://www.ngtaiwan.com/3637 恒星吞食者 爱因斯坦认为黑洞的概念──也就是有一种塌缩恒星，其密度之大，让光都无法逃逸── 太过荒谬，不可能真实存在。 他错了。 撰文：麦可・芬克尔 Michael Finkel 摄影：马克・A・加利克 Mark A. Garlick 我们的恒星，也就是太阳，将会静静走向死亡。就恒星而论，太阳的质量不过一般，大约 50亿年後，当它将其最後的氢气燃烧殆尽之时，外层将会散逸，核心则逐步聚缩，最後形 成所谓的白矮星：一颗如地球般大小、余烬未熄的宇宙星火。 如果换成质量为太阳十倍的恒星，死亡过程就会戏剧化得多。它的外层将会在一场超新星 爆炸中抛散入太空。与此同时，恒星的核心受重力压缩成中子星，成为直径约20公里的旋 转球体。一块如方糖大小的中子星碎片在地球上重达10亿公吨；中子星的重力大到如果掉 了一颗棉花糖在其表面，冲击所产生的能量将相当於一颗原子弹爆炸的威力。 但是和质量是太阳二十几倍的恒星垂死前的挣扎比起来，这根本不算什麽。就算在宇宙存 在至今的每千分之一秒都引爆一颗与当年广岛原爆一样的原子弹，规模仍然不及一颗巨大 恒星崩溃的最後时刻所释放的能量。这颗恒星的核心会向内塌缩，温度达到摄氏550亿度 。它极其强大的引力一发不可收拾。比圣母峰还大的巨型铁块几乎瞬间就被压缩成沙粒。 原子被分裂为电子、质子、中子。这些微小的碎片再分解成夸克、轻子和胶子。如此不断 重复，物质分解得愈来愈细，密度愈来愈大，直到…… 直到最後会出现什麽，其实没有人知道。在企图解释这个规模浩大的现象时，我们理解宇 宙运作方式的两个主要理论──广义相对论和量子力学──都乱了套，就像飞机失速下坠 时狂乱旋转的仪表指针。 这颗恒星变成了黑洞。黑洞会成为宇宙中最黑暗的深渊，是因为逃离它的引力时需要无比 的速度。要克服地球引力的掌握，你必须加速到每秒钟大约11公里。这个速度很快，大约 比子弹快六倍，不过人类建造的火箭早在1959年就达到了脱离地球轨道的速度。宇宙内的 最高速度为每秒29万9792公里，也就是光速。但即便是这个速度也不足以抵抗黑洞的引力 。因此，任何进入黑洞里的东西都无法逃逸，就算是一道光线也不例外。此外，超强引力 产生的某些诡谲效应也让我们无法窥见黑洞内部。黑洞是自外於宇宙的一个地方，区隔黑 洞内外的界线称为「视界」。不管是恒星、行星、还是人类，任何东西一旦越过了黑洞视 界，便永远回不来了。 爱因斯坦是物理学历史上极富想像力的思想家，他却从不相信黑洞的真实性。依照他的公 式，黑洞是可能存在的，但他认为大自然不会容许这样的东西存在。在他看来最违反自然 的观念是重力竟能压过理应比它更强大的力量，如电磁力、核能，导致一颗巨大恒星的核 心凭空消失在宇宙中，这俨然是宇宙版大卫魔术。爱因斯坦不是唯一这样想的人。20世纪 上半的物理学者大多不接受有物体的密度可以大到能困住光线的说法。黑洞就和牙仙一样 ，学者若相信它的存在，无异是葬送自己的专业生涯。 话虽如此，早在18世纪就有科学家曾经揣想过黑洞存在的可能性。英国哲学家约翰‧米契 尔在1783年对伦敦英国皇家学会的报告中提到了这个想法。法国数学家皮耶－西蒙‧拉普 拉斯在一本出版於1796年的书中预测了黑洞的存在。当时这些密度超高的奇异现象还不叫 作「黑洞」，而是被称为「冻星」、「暗星」、「塌星」或者以解出许多黑洞相关理论公 式的德国天文学家命名的「史瓦西奇异点」。「黑洞」一词於1967年首次出现，美国物理 学家约翰‧惠勒在纽约哥伦比亚大学的一场演说中使用了这个名称。 大约在这个时候，有关黑洞的思想发生了巨大的变化，主要是因为有了新的太空观测方法 。打从有人类开始，我们所能见到的范围一直受限於可见光，但是X光和无线电波望远镜 在1960年代开始广为使用，天文学家得以收集波长足以穿透星际尘埃的光线，就像看医院 的X光片一样，能够看到星系的内部构造。令人吃惊的是，科学家发现大多数星系的中心 （宇宙中的星系超过1000亿个）都有一个由大量恒星、气体与尘埃组成的团块。在几乎每 个观察过的星系中（包括我们的银河系），这混沌团块的最中央都有个质量超大且密度超 高的物体，它的引力大得惊人，不管用何种方式测量，可能的解释都只有一种：这是个黑 洞。这些洞庞大无比。银河系中央的这一个，质量大约是太阳的430万倍。邻近的仙女座 星系中的黑洞，质量则高达太阳的1亿倍。其他星系推测拥有质量为太阳10亿倍的黑洞， 有些甚至可能有质量为太阳百亿倍的庞然大物。这些黑洞并不是在刚形成时就这麽大。 它们和我们一样，每「吃一餐」就增加一些重量。 物理学家只不过经历一个世代转换，黑洞的存在就从原来由数学归纳出来、近乎笑话的荒 谬结论，转变成广为接受的事实。原来，黑洞极其普遍，宇宙中很可能存在数以兆计的黑 洞。从来没有人看过黑洞，而且永远不会有人看到，实际上也没有任何东西可看。它只是 太空中的一点空无，就像物理学家所说──空空如也。「洞」的存在是根据它对周围事物 产生的效应而推论出来的。 如果你问专家对黑洞的真实性有多大把握，他们的答案几乎总是：99%；如果大多数星系 的中央没有黑洞，那麽必然存在着比黑洞还要难以想像的东西。不过，所有的疑虑可能都 将在几个月後消除一空，因为天文学家打算偷看其中一个黑洞的吃相。 银河系中央的黑洞距离我们2万6000光年，名叫人马座A*（英文Sagittarius A*，标准缩 写为Sgr A*，後面的A*读作A-star，即A-星号），它目前平静稳定，是个挑嘴的黑洞。其 他星系则含有能够撕裂恒星、吞噬行星的怪兽级黑洞，称作「类星体」。 不过，人马座A*已经准备大吃一顿了。它正以每秒大约3000公里的速率将一团名叫G2的气 体云拉向它。可能不到一年内，G2便会接近这个黑洞的视界。届时，全世界的无线电波望 远镜都会聚焦在人马座A*身上，科学家也期待藉由全球同步观测、等於以整个地球为天文 台的「视界望远镜」，可以捕捉到黑洞运作中的影像。我们看到的不会是黑洞本身，而是 可能会看到「吸积盘」，也就是围绕在黑洞边缘的一圈碎屑，相当於饱餐一顿後留在桌面 上的残渣。这应该足以消除许多关於黑洞是否存在的疑问。 这不仅能证明黑洞存在，或许还能帮助我们了解宇宙的构造。冲向黑洞的物质会产生大量 的摩擦热。就像你从爬竿上滑下来时，手心会发热，物质滑向黑洞时也一样。此外，黑洞 就像太空中深邃的漩涡一样，会旋转。而摩擦力与旋转结合，导致落向黑洞的大量物质（ 有时候超过90%）不但没有越过视界，反而被向外抛掷，就像从砂轮机喷溅而出的火花。 这些高温物质被引入疾速穿越太空的喷流，以惊人的速度脱离黑洞，这个速度通常只比光 速稍低。这些喷流可延展达数百万光年，穿越整个星系。换言之，黑洞会剧烈扰动星系中 央的高龄恒星，并将过程中产生的滚烫气体送到星系外部。这些气体冷却、凝聚，最终形 成新的恒星，像青春之泉般让整个星系不断更新。 有两个关於黑洞的观念必须加以澄清。黑洞的吸力并不比一颗普通恒星来得大，只不过以 它的大小来说，它的引力显得特别强大。如果我们的太阳突然变成一个黑洞──不会真的 这样，但我们假装一下──它的质量不会改变，但是直径会从约139万2000公里缩减为不 到6.5公里。地球会变得黑暗寒冷，但是围绕太阳公转的轨道不会改变。成为黑洞的太阳 对地球所产生的引力与原来完整大小的太阳相同。 所以，黑洞不会将我们吸进去。简单明了。接下来要谈的观念，也就是时间，可就要让我 们绞尽脑汁了。时间和黑洞之间存在着很奇妙的关系。我们暂时先别去想黑洞，其实时间 本身是个很不寻常的概念。你可能听过「时间是相对的」这句话，意思是时间的流逝速度 对每个人而言都不一样。一如爱因斯坦的发现，时间受到重力影响。如果在一座摩天大楼 的每个楼层各放置一个极精准的时钟，它们会以不同的速率走动。在低楼层的时钟离地心 较近、所受重力较强，会走得比高楼层的时钟稍慢。你从来没注意到这一点，是因为那些 差异极度微小，大概偶尔差个十亿分之一秒。全球定位系统卫星上的时钟必须设定成走得 比地表上的时钟慢一点。如果不这样做的话，全球定位系统就不准确了。 引力惊人的黑洞基本上就是时光机。搭上火箭，飞到人马座A*。小心地来到非常接近视界 的地方，但不要飞过去。你在那里每待上一分钟，在地球上就过了1000年。听起来难以置 信，但事实就是如此。重力胜过时间。如果你越过了视界，会怎麽样？从外头旁观的人不 会看到你掉进去，而是看到你像在黑洞边缘定格了一样。永无止尽地一直定格下去。 但是严格说来，并非永无止尽。没有任何东西是永恒的，就连黑洞也不例外。英国物理学 家史蒂芬‧霍金证明黑洞有渗漏现象，它的渗漏物称作「霍金辐射」。如果时间足够，黑 洞会完全蒸发。不过所需要的时间长达几兆又几兆又几兆年。长到在遥远的未来，我们的 宇宙可能只剩下黑洞。 旁观者永远不会看到你掉进黑洞的样子，但进入黑洞後的你会发生什麽事？人马座A*很大 ，大到它的视界离中心大约有1300万公里。物理学界对於越过视界那一刻会发生什麽事还 没有定论。那里可能存在一堵所谓的「火墙」，你一抵达视界，就会立刻烧成灰烬。 然而，广义相对论预测在越过视界时会发生另一种现象：什麽事都没有。你只是通过那里 ，完全没有意识到自己从此与宇宙的其他地方断了线。你没事。你腕上的表滴答如常。经 常有人说黑洞无限深远，但这不是真的。黑洞有底，但你没办法活着看到它。重力会随着 你的坠落而愈来愈强。如果你头上脚下坠入黑洞，脚底的拉力会远大於头上的拉力，导致 你不断被拉长，直到被撕裂。物理学家称这个现象为「面条化」。 你身体的碎块会抵达底部。黑洞的中心是个称为「奇异点」的谜样玩意儿。揭开奇异点的 奥秘将会是史上最重大的科学突破之一。要做到这点，首先必须创立能超越爱因斯坦广义 相对论的新学说，而且还要超越量子力学。前者解释星体及星系的运行，後者预测微观粒 子发生的种种现象。两种学说都很接近真实状况，但在黑洞内部这样的极端情境下都不适 用。科学家想像中的奇异点极度微小。比微小还要更小：就算把奇异点放大好几兆的好几 兆倍，世界上最强大的显微镜还是无法看到它。但那里确实有东西存在，至少在数学概念 中如此。而且它不只是小，还重得无法想像。绝大多数的物理学者都说，是的，黑洞的确 存在，但它们完全无法穿透。我们永远不会知道奇异点里面是什麽样子。 然而，少数离经叛道的思想家却有不同意见。近年来，有愈来愈多理论物理学者相信我们 的宇宙并非一切。反之，我们住在所谓的「多重宇宙」中。多重宇宙是多个宇宙的集合， 把实相当成一块瑞士乳酪，每个宇宙就像乳酪上的一个孔洞。这一切仍带有强烈的理论臆 测成分，但是要创造一个新的宇宙，有可能需要先从既有的宇宙取出一堆物质，将其压实 ，再加以封存。 听起来是不是很耳熟？毕竟，我们至少知道某个奇异点的故事。138亿年前，我们的宇宙 从一场巨大的爆炸中诞生。在大爆炸发生前一刻，所有东西都塞进了一个极微小且密度极 高的微粒中，也就是一个奇异点。也许多重宇宙的运作和橡树一样，每隔一段时间就有一 颗橡实落下，掉到理想的土壤中，迅速发芽。奇异点也是这样，它是新宇宙的种子。而就 和橡树幼苗一样，我们不可能寄感谢函给我们的母亲。因为讯息要离开我们所住的这个宇 宙，移动的速度必须比光速还快才行。这听起来是不是也很耳熟呢？黑洞里面可能是什麽 样子，有令人信服的具体证据。你向左看看、向右看看、拧自己一下。某个黑洞可能来自 另一个宇宙，但我们可能就住在里面。 --

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