天文太空

撥開迷霧,黑洞現身

我們對黑洞的理論探究與觀測技術已有長足進步,破除了過往迷思。原來黑洞不但不黑,還能生龍活虎、對外放送「光芒」!

天文太空

撥開迷霧,黑洞現身

我們對黑洞的理論探究與觀測技術已有長足進步,破除了過往迷思。原來黑洞不但不黑,還能生龍活虎、對外放送「光芒」!


由恆星龐大質量所造成的重力傾向把恆星往內壓垮,這股力量通常受到內部核融合反應時的高熱與壓力抗衡。但是當恆星內部核燃料逐漸耗盡,重力終將居上風,開始往內塌縮,過程中可能引起爆炸,殘骸則繼續崩塌並逐漸變小;此時大自然設下第二道更加堅固的防線,企圖阻止崩塌的趨勢:恆星殘骸透過量子力學的獨特效應,以所謂的「簡併壓力」負隅抵抗。這次力量固然更加強大,對於許多恆星確實有效,但對於質量更大的恆星來說,充其量就是聊備一格、困獸猶鬥而已。


當一切措施都阻擋不住那勢如破竹的塌縮趨勢,恆星龐大的質量最後就會局限在很小的範圍。而在緊臨這「小不點」的周遭,其重力場不但強大得令人咋舌,就連光也逃不出來,所謂的「黑洞」於焉形成。黑洞就像是宇宙中的暗黑區域、恆星的墳場,也是未來星際旅行時令人聞之色變、避之猶恐不及的地雷區!


當我還是高中生時,這就是我對黑洞的全部印象。但那時黑洞這個名詞不過才出現十幾年,科學家剛開始有系統研究黑洞。如今,又經過數十年,我們對黑洞的理論探究及觀測有長足進步,黑洞是否還是那樣的黑,只能無奈與天體的死亡和人類的絕望劃上等號?翻開這本《黑洞奇想》特輯,你一定眼睛為之一亮──原來黑洞不但不黑,而且是如此生龍活虎!不只如此,當我們第一次接觸黑洞這名詞時可能有的一些迷思,每篇文章的作者也用心為我們解答。


首先我們必須知道,黑洞並不是貪得無厭的吸血鬼,只會拚命把全宇宙的物質往肚子裡吞!事實上,在「想想黑洞」單元中,〈黑洞:黑、黑、黑…?!〉的作者吳俊輝明確表示:只要距離黑洞稍遠,其重力場和一般恆星沒有兩樣。換言之,我們大可把黑洞當成母星,設計一個可以安全繞行黑洞的太空站,其中的太空人則活兒照做、日子照過,不需要擔心是否被黑洞吞噬。


當然,對那些因故落入黑洞周遭的人或物來說,受強大重力吸引而一去不返的可能性便不能等閒視之。根據目前所知,黑洞只有質量、角動量及電荷等特性,也就是說,如果真的不幸被吸進黑洞,不論黃金還是糞土、將軍還是士兵,對外界觀察者來說,掉進去的人與物都會被黑洞同化,原先的特殊資訊也被吃乾抹淨,不留蛛絲馬跡。黑洞就像禿子,除了大小有異,光看腦袋瓜實在找不出差別,這個所謂的「黑洞無毛」定理在古典物理中或許不是問題,但對於量子力學來說卻是惱人的謎團。


我們從〈黑洞不是洞〉這篇文章可認識到:藉量子效應,黑洞仍可透過霍金蒸發這項機制緩慢把黑洞的質量對外放送;但之前研究顯示,黑洞發出的光以及少部份粒子其實沒有秩序可言。這代表黑洞吃了肉雖然會吐出骨頭,但「反芻」後吐出的東西不可能帶有當初落入黑洞時的所有資訊。問題是,根據量子力學理論,資訊不會憑空消失,所以黑洞這下真的讓物理學家抓狂,非把頭髮搔光不可!


可喜的是,在〈黑洞是個大電腦〉與〈資訊‧黑洞‧全像宇宙〉中,最新理論認為黑洞根本是資訊處理器,而由霍金蒸發吐出來的「骨頭」,仍可能透過量子纏結效應攜帶科學家未知的物質資訊。這下子,以後害物理學家禿頭的元凶可不能再怪無毛的黑洞了。


如果你認為量子纏結只能扮演救援投手,那就太小看它了。這次,我們一起去「逛逛黑洞」,翻開〈千里黑洞共纏結〉,天啊,原來量子纏結竟然無遠弗屆,有機會把宇宙中相距甚遠的兩個黑洞纏結在一起!這意味兩個黑洞可以連接成為一個蟲洞(wormhole,又稱蠹孔),而該蟲洞就像傳說中的鵲橋,可以讓原本分隔銀河兩側、無法聚首的牛郎與織女相會。


如果黑洞可以搭起愛情的橋樑,那黑洞也可以促成生命誕生。嗯,這真的不是一個限制級故事,因為〈生命的存在 黑洞的恩惠〉的作者沙爾夫(Caleb Scharf)就是在認真思索這個可能性!當許多物質在黑洞周遭心不甘情不願墜落時,可能以高速旋轉而碰撞產生高熱。由於物質尚未真正落入黑洞的事件視界,所以隨著高熱而產生的高能粒子及輻射便有機會逃離(所以黑洞可能一點也不黑!)。


位於星系中心的超大質量黑洞若像這樣大量吞噬周圍物質,又向外噴發「肉末」,就會對該星系中許多恆星的組成產生多樣影響。對銀河系來說,我們距離中心夠遠,不會造成巨大破壞,可是我們又離中心夠近,足以保障生命形成的多樣性。我們之所以在這個特殊位置生生不息,或許真有一些道理?雖然仍是猜想,但該文的觀點確實引人深思。


而提到銀河系中心黑洞的切身問題,我們一定也想問:「我怎麼知道黑洞存在?究竟如何觀察黑洞?」


「看看黑洞」單元就是帶我們探索這個全新又引人入勝的領域。〈黑洞現形記〉的作者賀曾樸告訴我們,對於銀河系中心那個距離我們說遠不遠、說近不近的超大質量黑洞,當今的望遠鏡仍能分辨出不少快速繞行黑洞的恆星軌跡。天文學家利用這些資訊,便可計算出恆星及該黑洞的質量。而且,天文學家藉由觀測該區域發出電波的空間分佈,可以確定這麼大的能量的確從一個很小的地方(黑洞所在之處)發出。


然而,黑洞是否永遠只能遠觀而無法褻玩?「玩玩黑洞」單元恰可提供一些觀點。


我剛提過,理論上我們可以設計一個繞行黑洞的太空站。但誰會這麼無聊、幹這麼無趣的事?從〈巧奪黑洞能量〉中,我們發現這是英國著名物理學家彭若斯(Roger Penrose)的點子:自轉的黑洞可以是未來星際旅行的太空加油站,因為周遭物體會被拖著繞行黑洞,而科學家只需在安全距離外的太空站上,把一團東西丟進黑洞,並確保掉進黑洞前一分為二,其中一個反向運動的物體會因為企圖阻止黑洞自轉而更容易墜入黑洞,另一個物體則因順向而獲得往前的力量,使該物體具有多餘能量而拋射出去。過程中黑洞自轉會因墜入物體的影響稍稍減緩,損失的部份能量則由拋射出的物體接受。黑洞竟然可以這樣玩,真是出人意料。


而看過〈傾聽黑洞的心聲〉後,我們會更驚訝,原來在低溫的量子流體中,聲波傳遞方式和光在彎曲空間中的傳遞非常相似。由於黑洞正是彎曲時空的極端產物,或許我們將來能在實驗室中,利用量子流體內的聲波實驗去模擬、理解黑洞的性質。


這本《黑洞奇想》特輯糾正了我們對黑洞的誤解,也使人了解到黑洞絕不是枯燥的理論玄想。可你知道嗎,黑洞還可以讓人名利雙收!2014年的賣座電影「星際效應」結合物理理論與電腦動畫,創造出炫麗動人的黑洞光影特效,並因此獲得一座奧斯卡金像獎,原來黑洞竟是如此光芒四射!


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