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黑洞裡面是什麼?還有那些恆星死亡的身後事——《霍金大見解》

天下文化_96
・2019/03/12 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。


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從族群耆老的死亡,看見黑猩猩的「同理心」——《我們與動物的距離》

馬可孛羅_96
・2022/01/16 ・2063字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者:法蘭斯・德瓦爾(Frans De Waal)
  • 譯者:陳信宏

人類為何會發展出宗教,其中一個最常被提及的原因便是我們對死亡的體認。我們對生命有限的理解,經常和「人類有沒有可能是唯一擁有宗教的生物」這個問題一起提出。我對這個問題沒有明確的答案,只能說我們沒有理由假設別的靈長類動物對其他個體的死亡一無所知。

如同巴諾布猿天堂裡的巴諾布猿,其他猿類也相當熟悉死亡與失去親友的現象。有時候牠們自己就是凶手,例如有一天那群巴諾布猿打死了一條劇毒的加彭膨蝰。那條蛇令牠們深感恐懼,只要一動就嚇得所有巴諾布猿往後跳開。牠們用樹枝小心戳牠,最後瑪雅才把牠高高拋起並且重重甩在地上。值得注意的是,那條蛇死了之後,牠們的表現就完全顯示牠們並不認為牠會再起死回生。死了就是死了。幼猿開開心心地拖著沒有性命的蛇屍當成玩具,掛在脖子上,甚至撬開牠的嘴巴檢視牠巨大的毒牙。

加彭膨蝰,是一種毒性極強的噝蝰屬毒蛇,分布在非洲撒哈拉沙漠以南的熱帶雨林地區,它是世界上毒性最強的蛇類動物之一,擁有世界上最長的毒牙。圖/Wikipedia

那幕情景令我想起以前目睹過的一場黑猩猩狩獵行動。我們在坦尚尼亞的馬哈勒山脈(Mahale Mountains)跟隨一群黑猩猩,突然聽到樹上高處傳來一陣騷動。黑猩猩抓到獵物的時候會發出一種特殊的尖叫聲,單是這麼一種特殊聲響的存在,就顯示了牠們想要分一杯羹的意願。若不是這樣,保持安靜顯然才是聰明的做法。那陣尖叫聲吸引了其他許多黑猩猩聚集過來。有幾頭公黑猩猩抓到了一隻紅疣猴,這是黑猩猩難以自行捕捉的一種獵物,通常要團體合作才抓得到。

我抬頭透過枝葉的縫隙觀察,看見那幾頭黑猩猩在那隻猴子還活著的情況下就開始吃起牠的肉。由於黑猩猩不是「專業」掠食者,所以沒有演化出貓科動物那種有效的獵殺技巧,而牠們對待獵物的方式也反映了牠們的同理心有時而窮,就和人類一樣。許多黑猩猩都聚集過來形成一種進食集合,包括生殖器腫脹的母黑猩猩,她們通常享有進食的優先權。那整個場景非常吵雜混亂,但所有成員終究都分到了一塊猴肉。第二天,我注意到一頭母黑猩猩經過,背上騎著一頭幼黑猩猩。牠的女兒開開心心地高高揮舞著一根毛茸茸的東西,我才發現那個東西屬於那隻可憐的猴子所有:一頭靈長類動物的尾巴成了另一頭靈長類動物的玩具。

黑猩猩對「死亡」的體悟

某天早上,蓋扎.泰萊基(Geza Teleki)跟隨一群黑猩猩行動,聽到遠處傳來刺耳的尖叫聲。六頭公黑猩猩狂野地來回猛衝,一面發出「喇啊」的叫聲,迴盪在山谷之中。在一條小沖溝裡,只見瑞克斯(一頭公黑猩猩)的身軀一動也不動地癱倒在亂石之間。泰萊基雖然沒有看到他跌落的過程,但覺得自己目睹的乃是這頭公黑猩猩從樹上跌落而摔斷脖子所引發的最初反應。

幾頭黑猩猩停下來看了看瑞克斯的屍體,然後猛力向外衝,並且朝四面八方丟擲大石塊。在那樣的喧鬧狀況下,黑猩猩紛紛互相擁抱、交合、撫摸以及輕拍,臉上則是咧開嘴露出緊張的表情。接著,牠們又花了不少時間盯著屍體看。一頭公黑猩猩在一根樹枝上俯身看著屍體,發出嗚咽的聲音。其他黑猩猩則是觸摸或者嗅聞瑞克斯的屍身。一頭青年母黑猩猩更是一動也不動地靜靜盯著他的屍體看了整整一個小時以上。經過三個小時的擾攘之後,其中一頭年紀較大的公黑猩猩終於離開那片林中空地,朝下游走去。其他黑猩猩一一跟上,慢慢離開,同時不斷回頭望向那具屍體。

猿類面對死亡的反應已有愈來愈多的報導敘述。二○○九年,桃樂絲死後的一張照片在網路上爆紅,因為她的遺體引來保護區內黑猩猩群的圍觀,猩群們相當專注(但靜默得令人發毛)。這在蘇格蘭的布萊爾德拉蒙野生動物園(Blair Drummond Safari Park),一頭名叫潘希的年老母黑猩猩死亡了,其過程透過影片仔細分析,原來在她死前的十分鐘,其他黑猩猩為潘希理毛或者撫摸了十幾次,潘希的成年女兒也整夜陪在她身旁。潘希死後引起的反應從猩群成員觸碰她的嘴巴與四肢(也許是想要檢視她是否還在呼吸或者是否還能動)到某頭公黑猩猩猛擊她的遺體,這種行為也曾經在其他黑猩猩死亡之後被人觀察過。

這種表現看起來雖然像是麻木不仁,卻有可能是一種想要喚醒死者的行為。猿類面對死亡的反應通常綜合了兩件事,一是對死者的毫無回應感到挫折,二是繼續測試看看還有沒有辦法引起死者的回應。不過,圍聚在死者身旁的大多數個體都會默不作聲,彷彿意識到發生了什麼可怕的事情。研究人員觀察潘希臨終前的狀況之後,得出的結論指出:「黑猩猩對死亡的體認受到了低估。」

——本文摘自《我們與動物的距離:在動物身上發現無私的人性》,2021 年 12 月,馬可孛羅

 

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馬可孛羅_96
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