【牛津通識課31】黑洞：扭曲時空之地

第一章 黑洞是什麼？(摘錄)

黑洞是太空中重力極強的區域，任何粒子運動的速度再快，也無法快到從黑洞的內部向外逃逸，就連光也不行。起初，黑洞只是理論物理學家馳騁想像力的產物，但時至今日，宇宙中證實存在的黑洞已有數百個，推論存在的則高達數百萬個。黑洞會與周圍環境交互作用並造成影響，我們看不見這些天體，但仍能清楚探測到這些交互作用，而這些交互作用會有什麼特性，則端看它們發生的地點與黑洞相距有多遠：距離太近就無法逃逸，距離一拉開，又會發生某些壯觀而劇烈的現象。

一九六四年，安．尤因(Ann Ewing)在一篇報導一九六三年德州研討會的文章中，首次提到「黑洞」這個詞，卻沒說明這個詞是誰發想出來的。一九六七年，美國物理學家約翰．惠勒(John Wheeler)想用更簡單的說法來描述「重力完全塌縮的恆星」，才開始推廣「黑洞」一詞。不過，早在一九三九年，另外兩位美國物理學家勞伯．歐本海默(Robert Oppenheimer)與哈蘭．史奈德(Hartland Snyder)，就發展出「塌縮星」的概念。如果再追溯下去，最早其實是在一九一五年，當德國物理學家卡爾．史瓦西(Karl Schwarzschild)以太空中不旋轉的孤立球體為例，初步解開愛因斯坦場方程式(即廣義相對論的重力場方程式組)，就已經為近代物理學描述的黑洞奠定數學基礎。

二十年後，印度物理學家蘇柏曼揚． 錢卓斯卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)搶先一步在英國發表論文，比歐本海默與史奈德更早開始探討恆星衰亡過程的現象。後來亞瑟．艾丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)審查錢卓斯卡的論文，也成功導出部分關於黑洞的數學式，而這項運算結果的物理意義，就是大質量恆星耗盡燃料後會塌縮成黑洞。然而一九三五年，艾丁頓爵士自己在倫敦皇家天文學會(Royal Astronomical Society)會議上，卻將這項發現斥為「荒謬」。儘管這個想法看似荒謬，但事實上，黑洞在銀河系乃至整個宇宙中都是不容忽視的物理現實。

到了一九五八年，戴維．芬克斯坦(David Finkelstein)在美國更進一步推論，黑洞最外圍有一層單向膜。這項推論在當時廣受認可，也是本書後續章節討論的重點。一旦跨入這層最外圍的單向膜區，黑洞內部的重力拉力就會強到連光也逃不掉，這正是黑洞之所以為「黑」的原因。要了解這一類黑洞行為可能的成因，就要先知道，物理世界具有一項發人深省的特徵：任何粒子或物體的運動速度都有其上限。

多快才算快？

按照叢林法則，想躲開掠食者就要跑得夠快，除非你特別機靈或善於偽裝，不然一定要夠敏捷才能生存。哺乳動物逃離險境的最大速度，端看質量、肌力與代謝作用間複雜的生化關係，而宇宙中實體運動的最大速度，則取決於無質量粒子的運動速度，例如「光的粒子」—也就是光子(photon)。這個最大速度值，可以精確定到每秒299,792,458 公尺，相當於每秒186,282 英里，比聲音在空氣中傳遞的速度快了將近一百萬倍。假如能以光速行進，從英國到澳洲就只需要十四分之一秒，幾乎是一眨眼的工夫。光從離我們最近的恆星太陽行進到地球，只要八分鐘，而一顆光子從離我們最遠的行星海王星出發，只要數小時就能抵達地球。因此，我們會說太陽距離地球八光分，而海王星距離地球數光時。這麼一想，倒是很有意思，如果太陽停止發光，我們要過八分鐘才會發現，而如果海王星突然變紫色，我們則要過數小時才會觀察到這個重要資訊。

現在想想看，當光從太空中更加遙遠的地方回到地球，運動速度可以有多快？銀河系包含我們居住的太陽系，直徑約為數十萬光年(light-year)，換句話說，光從銀河系一端行進到另一端，需時數十萬年。

銀河系是本星系群重要的一員，而最靠近本星系群的星系團則是天爐座星系團(Fornax cluster)，離我們有幾億光年。因此，如果天爐座星系團的一個星系裡，有一顆繞著恆星轉的行星，行星上有一個觀察者正望向地球，那麼他只要用對儀器，就有機會看到恐龍左搖右擺，在地球上漫步。

光的運動看起來會這麼遲緩而費時，純粹是因為宇宙浩瀚得超乎想像。光速作為宇宙中物體運動速度的極限，會產生奇妙的效應，等我們開始思考火箭如何上太空，就會明白這一點。

逃逸速度

如果要發射火箭到太空，發射速度卻太慢，火箭就沒有足夠的動能(kineticenergy)來掙脫地球的重力場。然而，如果火箭的速度剛好夠掙脫地球重力的拉力，我們會說這架火箭已經達到逃逸速度(escape velocity)。當火箭要脫離大質量天體(如：行星)，天體的質量越大，火箭距離天體的質心(center of mass)越近，火箭的逃逸速度就越大。……重力無時無刻不在起作用，所以會將火箭拉向行星或恆星的中心，也就是拉向天體的質心，逃逸速度的值則與火箭的質量毫無關係。因此，如果有一架火箭，從距離地球質心約莫六千四百公里的卡納維爾角(Cape Canaveral)出發，那麼不管火箭內部的有效載重是數支羽毛，或數架大鋼琴，逃逸速度的值都一樣，比每秒十一公里略微多一點，約為聲速的三十四倍(可以寫成三十四馬赫)。

現在，假設我們可以將地球全部質量收縮，讓地球佔據的體積變小，半徑變成原本的四分之一。這時從距離質心六千四百公里處發射火箭，火箭的逃逸速度仍然維持不變，但如果轉移陣地到這顆新地球的表面上，從距離質心一千六百公里處發射火箭，逃逸速度就會變成原來的兩倍。

我們再假設發生一場災難，導致地球全部質量收縮成一個點，再也沒有任何空間延度，此時這個點就稱作奇點(singularity)。原本的地球從此變成一個「質點」(point mass)，一個在太空中佔據零體積的大質量天體。在距離奇點近到只有一公尺處的地方，逃逸速度將遠大於在一千六百公里處，約為光速的十％。倘若繼續靠近，直至距離奇點不到一公分處，逃逸速度就會等於光速，此時連光本身的速度也不足以逃離重力拉力，而這正是掌握黑洞運作原理的關鍵觀念。

第一章 黑洞是什麼？(摘錄)

黑洞是太空中重力極強的區域，任何粒子運動的速度再快，也無法快到從黑洞的內部向外逃逸，就連光也不行。起初，黑洞只是理論物理學家馳騁想像力的產物，但時至今日，宇宙中證實存在的黑洞已有數百個，推論存在的則高達數百萬個。黑洞會與周圍環境交互作用並造成影響，我們看不見這些天體，但仍能清楚探測到這些交互作用，而這些交互作用會有什麼特性，則端看它們發生的地點與黑洞相距有多遠：距離太近就無法逃逸，距離一拉開，又會發生某些壯觀而劇烈的現象。

一九六四年，安．尤因(Ann Ewing)在一篇報導...

第一章：黑洞是什麼？
第二章：時空導覽
第三章：黑洞的特性
第四章：掉進黑洞
第五章：黑洞的熵與熱力學
第六章：如何測量黑洞的重量？
第七章：吃得更多，長得更大
第八章：再談黑洞，以及其他
致謝
延伸閱讀

第一章：黑洞是什麼？
第二章：時空導覽
第三章：黑洞的特性
第四章：掉進黑洞
第五章：黑洞的熵與熱力學
第六章：如何測量黑洞的重量？
第七章：吃得更多，長得更大
第八章：再談黑洞，以及其他
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