時間簡史Black Holes－6

A Brief History of Time－Stephen Hawking

 

6－Black Holes

 

根據量子理論, 光具有雙重性，光既是波又是粒子。如果光是一個沒有重量的波，那麽光速會以一個無限大的速度傳播，實驗證明光速是恒定有限的，說明光又是粒子受重力作用。很早以前科學家從理論上分析光在星球萬有引力作用下，在傳播一定距離後會被拉回星球，如果這種推理正確，那麽這個星球將不可見，從而提出黑洞理論。

 

要理解黑洞，首先我們得理解星球的生命過程。宇宙中含有大量氫的氣體受空間重力的作用聚縮成一個星球，在收縮過程中，氣體的原子與原子間的碰撞和速度相應上升，導致熱量升高到一定點後，釋放出像氫彈爆炸一樣的熱量，形成發光的恒星。氣體間的熱量升高相應地導致氣壓增強擴張，最終與萬有引力達至平衡。這種平衡狀態可以維持相當長的時間。譬如我們太陽的內部能量估計可以維持50億年，50億年後，太陽會開始冷卻收縮。

 

印度科學家Chandrasekhar 認為，根據量子力學中的電子／粒子的排他原理而造成的氣體擴張有一個限度，也就是說，一個冷卻收縮的星球它的重量密度升高到一定程度後，它的萬有引力將大於它的氣體擴張力，他計算出這個重量是太陽的1.5倍，被稱為Chandrasekhar Limit （有限度）。

 

反過來說，如果一個星球的重量小於Chandrasekhar Limit, 它最終會停止收縮而達到一個平衡點，形成一個穩定的小恒星。我們現在發現有許多這樣的小恒星。

 

那麽，那些重量大於Chandrasekhar Limit的星球在它的燃料燃燒完後會產生什麽樣的結果？那時，根據Robert Oppenheimer 在1939提出的假設，認為用我們現有的望遠鏡將觀察不到它的結果。現代科學家認為，當星球收縮時，它的質量密度增加導致星球表麵的重力場升高，這個升高的重力場在Space-Time中將改變光的軌跡，使光稍微內彎偏向星球的表麵，這樣光不容易遠離星球，觀察者會發現它的光更暗也更紅。最終當星球收縮到一定程度時，升高的萬有引力迫使光更多的內彎而不再可能逃離星球。同樣的，因為沒有一樣東西比光的傳播速度更快，所以沒有一樣東西可以逃離這個星球，作為觀察者我們將看不到這個星球，這個星球因之被稱為黑洞。

 

這個黑洞會繼續收縮，直到成為一個在space-time呈弧形的密度無限大的singularity。在這種狀態，所有的科學理論都不再適用，就像我們把Big Bang看成時間的起點，我們把它看成時間的終點。

 

所有的物體，如果越過黑洞的臨界線，都會被吸向黑洞而不可能逃脫。黑洞自轉時，它就像地球一樣中間會鼓起來，轉速越快，鼓起越多，當轉速為0的時候，黑洞就是一個靜止完美的球體。

 

黑洞原理是少數幾個先由數學模型推理出來，而後被科學家觀察證實的原理。雖然黑洞不可見，但是黑洞會對周圍的星球施加萬有引力。1963年，宇航學家Maarten Schmidt在分析某個星球光譜右移的現象時認為，某個銀河係的大片區域都是黑洞。一般來說，兩個星球互相吸引而圍繞對方旋轉，但有時，隻有一個恒星可以被觀察到圍繞不可見物體旋轉，並伴有強力的來自這個不可見發源地的X-ray，譬如現在我們發現的Cygnus X-1, 這個Cygnus X-1的質量是太陽的6倍，不可能是中子星，那麽最好的解釋就是黑洞。

 

從長遠的曆史來看，我們的宇宙會有很多的黑洞。很多星球在它的核燃料燃燒完後就會收縮冷卻，黑洞的數量也許大大超過我們看到的恒星的數量。譬如我們銀河係的緩慢旋轉現象，單用可見恒星的質量總和不足以帶動整個銀河係，這時用黑洞理論就能完美解釋。