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重力塌縮是什麼?──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》

重力塌縮是什麼?

按照一般的想法,與地球同樣質量,但半徑只有 8.9mm 的星球──物質緊密的塞到那種地步的終極重星,應該是不可能存在吧?很多人會想,這畢竟只是空想出來的理論。

但是在第二次世界大戰開始的一九三九那年。科學家羅伯特.歐本海默(Julius Oppenheimer)發表了「星球應該因為重力崩塌而誕生」的理論。歐本海默是製造出原子彈的人,美國羅沙拉摩斯國立研究所所長,曼哈頓計畫負責人。他是個理論物理學家,所以也研究星球的一生。

所謂的重力塌縮是這樣的:

【P47-圖9】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

太陽在這裡(圖 9),太陽因為核融合而燃燒,內部製造出極為驚人的能量(大家就是靠著這個能量才能像現在這樣生活),為了製造驚人的能量,類似這種太陽的恆星,會發生不斷向外擴張、再擴張的力量。

另一方面,太陽擁有極大的質量,因為它的質量,也產生向中心落下、再落下的重力。那種「向外擴張、再擴張的力量(能量)」和「往內側落下的力量(重力)」一般會達到平衡狀態。科學家說, 像太陽那樣的星球, 大概可以活到 100 億歲。太陽現在正好是中年,大約 50 億歲左右。它幾乎── 90 億年以上都會維持這樣的安定。向外擴大的力量和因重力而掉落的力量,一直保持在平衡狀態。

但是,物質一定有結束的一天。太陽的終點是什麼呢?就是燃料用盡。太陽燃燒氫(原子序數 1) —原子序數是原子核中,質子的數量—變成氦(2),進而氦與氦又會變成鈹(4),氫(1)與氦(2)融合就會變成鋰(3),周期表中的輕原子轉變成重原子──它們的原子核融合了—核融合最後將會停止在鐵(26)形成時。因為鐵原子不會再核融合,它是最安定的物質。

因為這個緣故,太陽漸漸年老,燃燒的物質燒完,向外擴張的能量變弱……在某一瞬間,重力贏過了能量,這就是星球的末日。重力獲勝,向中心塌縮的現象,就叫做「重力塌縮」。

所有的物質都變成十萬分之一大小

你能想像星球因為自己的重力而坍塌的樣子嗎?話說回頭,「物體坍塌」是什麼意思?比如說,這裡有個橡皮擦,就算我再怎麼用力捏,也不會把它壓扁,因為它很密實。星球的內部也相當密實,哪有什麼地方供它坍塌呢?其實是有的。

就是這個:

原子是由原子核與環繞它的電子構成。

中心的原子核非常非常小,大概是整個原子的 10 萬分之 1 大。假設原子有這個會場這麼大(幾十公尺),原子核大概只有自動鉛筆筆芯的直徑。原子的內部其實很空洞。像橡皮擦,外表看起來好像很密實,但它是由原子構成的,所以內部也很空,多的是塌縮的空間。其實它可以縮小成 10 萬分之 1 大小的空間。

那麼,為什麼壓不扁它呢?因為我的力量太弱。如果有恆星那種程度的重力,力量就很大,是可以把它壓扁的。至於塌縮是怎麼一回事呢?電子原本都在固定的軌道上,塌縮就表示它掉到原子核上。電子與原子核(的質子)黏在一起,就會變成中子

以太陽為例,它是由氫與氦等各種原子構成的,但如果所有的電子都落到它的原子核上的話,各種原子也都變成了中子。星球變成一大塊中子──稱之為中子星

【P49】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

到這時候,體積變得極小──10 萬分之 1 的尺寸,但質量還是同樣巨大的星球不就誕生了嗎?歐本海默這麼認為。

體重決定死法

各位,你們知道星球也有壽命吧。壽命到了盡頭,星球也會死的。就如剛才說的,當核融合結束的瞬間,星球就死亡了。相反的,「星球誕生」指的是核融合開始的時候。塵埃(粒子)因為重力吸引而聚集、開始核融合的那一刻—發出耀眼光線的那一刻,星球就誕生了。而像地球這種不會發生核融合的星球,從一開始就死了

而且,星球也像人一樣,有不同的死法。人有很多死法,而星的死法卻按體重的大小早就決定了。也就是說,輕和重的死法不相同。胖子快死的時候不太漂亮,相反的,瘦子可以死得很美。

超新星爆炸!

【P51-圖10】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

這裡畫的「紅巨星」,是快死的老人星(圖10),燃燒的物質不斷在減少。

一般人形容星球的大小,常用「太陽的幾倍」的說法。在太陽的 8 倍大以內都可以算是「瘦子」。這顆老人星如果是那種瘦子星的話,剛才說的重力塌縮會在半途停止。它不會完全塌縮,變成一塊中子,在氫和氦等「燃燒物質」還殘留的狀態停止重力塌縮。由於核融合還在繼續,所以會發出微弱的光,是一種美麗的死法,以這種方式死去的星,叫做「白矮星」(圖 10)。

但是,比太陽大 10 倍以上的胖子星會變成什麼樣呢?因為重力太大,它會以猛烈的力道塌縮。燃燒物質一用完,便急速收縮,因為力道太猛烈,物質激烈碰撞而產生爆炸。這種爆炸叫做「超新星」(super nova),聽過嗎?你也可以在「超新星」後加上爆炸, 叫它超新星爆炸。還沒有到﹁ 超﹂ 程度的爆炸,就叫「新星」(nova)。

順便一提,為什麼它明明要「死了」,卻叫做「新星」呢?因為從前並不知道這是星球死掉的狀態。它本來是一顆會發光的恆星,但是因為距離地球太遠了,我們看不見。但在它死掉的瞬間,因為爆炸而發出極為明亮的光,古代人看到時便說「啊,那裡有一顆新的星星!是新星啊!」於是就這麼取名了。其實它不是新生的星,而是死亡的星,但古代人不知道。它有這麼個歷史的緣由。


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你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎?快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧!(本書由 聯經出版

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