黑洞裡面是什麼?還有那些恆星死亡的身後事——《霍金大見解》

編按:本書為霍金留給世人的 10 個大哉問與見解,期盼讀者能藉由站在霍金這位巨人的肩膀上得到更多啟發與省思。本文為大哉問之五:黑洞裡面是什麼?

白矮星、中子星、類星體,都是恆星崩陷後的產物

對一顆正常的恆星而言,壽命可以有數十億年以上,在這段生命裡,絕大多數的歲月,它都是藉由把氫轉換為氦的核融合過程所產生的熱壓力,來對抗因自身質量所產生的重力。然而,氫燃料終有燃燒殆盡的一天。此後,恆星便會開始收縮。

白矮星。圖/pixabay

在某些情況下,它能承受得住自身的重力崩陷,只是變成密度很大的一個星核,稱為白矮星。然而印裔美籍物理學家錢卓塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910-1995)在 1930 年證得,白矮星的最大質量約為太陽的一點四倍。蘇俄物理學家蘭道(Lev Landau, 1908-1968)也獨立計算出相似的數值,並把這個完全由中子組成的緻密星體,命名為中子星。

對於另外無數個質量大於白矮星或中子星的恆星,當它們在核燃料耗盡之後,命運將會如何呢?稍後以研發原子彈而著名的歐本海默(Robert Oppenheimer, 1904-1967)曾對此做了一番研究。1939 年,歐本海默與沃科夫(GeorgeVolkoff, 1914-2000)、史耐德(Hartland Snyder, 1913-1962)共同計算出:

這樣的大恆星,熱壓力將無法與自身的重力相抗衡。

再者,如果忽略這個熱壓力,一顆均勻球形對稱的星體將會收縮成一個密度無限大的點,稱為奇異點。

奇異點(Gravitational singularity)。圖/wikimedia

違反時空平坦假設的奇異點:時空曲面上的曲率無限大

然而,我們所有關於空間的理論,都是構築在「時空是平坦的」假設上,因此,這些理論都無法適用於奇異點上,因為奇異點在時空曲面上的曲率為無限大。事實上,奇異點標誌著空間與時間的終點。這就是愛因斯坦覺得非常反感的東西。

接著,第二次世界大戰干擾了後續的研究。大多數的科學家,包括歐本海默在內,都把注意力轉向核物理學,至於恆星崩陷的議題,則被大家拋諸腦後。一直到發現了類星體(quasar),科學界才又重新注意到這個問題。第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的,隨後天文學家又陸續發現許多顆類星體。

第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的。圖/wikipedia

類星體是極度明亮的活躍星系核(位於星系中心的質量密集區域),輻射出來的電磁波功率非常巨大,但是由於距離地球非常遙遠,所以在可見光波段,看起來只是「類似」星狀的微弱光點。由於類星體的靜止質量並未大量減少,但釋放出來的能量卻遠大於質能轉換的結果,因此這些能量的來源不單只是核反應而已。唯一可能的解釋是,這些能量來自重力崩陷而釋放出來的重力能。

類星體的強電磁波,能量來自重力崩陷的重力能

恆星的重力崩陷,重新成為科學研究的焦點。當重力崩陷發生時,星體的重力會把周圍的所有物質向內聚集。很顯然,一顆均勻的球形恆星,最終會收縮成一個密度無限大的奇異點。但是,如果這顆恆星不是均勻的球形星體呢?由於物質的分布並不均勻,是否會讓崩陷的過程也不均勻,從而避開奇異點的生成呢?

潘若斯在1965 年提出一篇著名的論文,僅僅根據重力只有吸引力的這個事實,證明了即使恆星不是均勻球形的星體,崩陷的最終結果仍會是一個奇異點。

潘若斯(Roger Penrose)提出宇宙審查猜想(cosmic censorship conjecture)。圖/wikipedia

愛因斯坦方程在奇異點裡,因無法定義而失效了。也就是說,對於這個密度無限大的點,我們無法預測它的未來。這意味著,每當恆星發生崩陷時,就會有詭異而未知的事情發生。只要奇異點不是「裸露」的,換句話說,有個屏蔽(即事件視界)把它與外界區隔開來,那麼無論在奇異點上發生什麼事,便都與我們無關。於是,潘若斯提出了「宇宙審查猜想」(cosmic censorship conjecture):

所有由恆星或其他星體因崩陷所形成的奇異點,總會有一個事件視界將它隱匿起來,因而任何人都無法觀測到黑洞內部。

黑洞是一個重力極強、以致光都無法脫離的區域。宇宙審查猜想幾乎可以斷定是正確的了,因為所有希望證偽的嘗試都失敗了。

黑洞無毛?無論丟甚麼進去,看起來都一模一樣

當惠勒於 1967 年提出「黑洞」這個詞時,它取代了原先的名詞「凍星」。惠勒新造的這個詞,強調了讓人感興趣的是恆星崩陷之後的殘餘物本身,而與它的形成過程無關。這個新名詞很快就流行了起來。

從外面,你無法知道黑洞內部是何模樣。無論你朝著它丟進什麼東西,或是它原本是什麼東西、它是如何形成的,黑洞看起都一模一樣。惠勒對於這種現象,有一句著名的描述:「黑洞沒有頭髮」(A black hole has no hair,也簡稱
「黑洞無毛」)。

本文摘自《霍金大見解:留給世人的十個大哉問與解答》,天下文化,2019 年 2 月出版。


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