Relativism (Special theory of Relativity)

                    by Vincent CHAN WAI LUNG(1988~  )

宇宙的本質黑洞

在 超 新 星 爆 發 後 ， 如 果 恆 星 剩 餘 質 量 超 過 二 或 三 個 太 陽 質 量 ， 中 子 簡 併 壓 力 亦 不 足 以 抵 抗 向 內 的 引 力 ， 這 時 在 已 知 的 物 理 理 論 裡 面 ， 再 沒 有 更 強 的 力 能 足 以 與 引 力 一 決 雌 雄 ， 恆 星 只 可 以 不 斷 塌 縮 ， 成 為 黑 洞 。

黑 洞

如 我 們 把 一 顆 石 塊 向 上 拋 ， 它 會 很 快 跌 回 地 面 ， 我 們 用 點 勁 拋 ， 它 會 飛 得 高 一 點 ； 假 若 再 加 把 勁 ， 令 石 塊 向 上 速 度 達 逃 逸 速 度 ， 它 便 會 直 衝 出 宇 宙 ， 一 去 不 返 。

恆 星 質 量 越 大 ， 體 積 越 小 ， 引 力 的 羈 絆 便 越 大 ， 所 需 逃 逸 速 度 亦 越 高 。 另 一 方 面 ， 愛 恩 斯 坦 的 相 對 論 斷 言 宇 宙 中 最 高 的 速 度 便 是 光 速 ， 所 以 如 所 需 的 逃 逸 速 度 大 於 光 速 ， 那 麼 宇 宙 中 包 括 光 在 內 的 一 切 都 不 可 能 逃 離 引 力 的 魔 掌 ， 這 顆 恆 星 便 成 為 黑 洞 。

不 了 解 廣 義 相 對 論 ， 便 不 能 真 正 了 解 黑 洞 。 廣 義 相 對 論 的 中 心 思 想 是 質 量 會 扭 曲 其 附 近 的 時 空 ， 質 量 越 大 ， 影 響 越 明 顯 。 牛 頓 力 學 認 為 月 球 繞 地 球 旋 轉 ， 是 因 為 月 球 受 到 地 球 引 力 的 吸 引 ； 但 廣 義 相 對 論 的 說 法 則 是 地 球 的 質 量 扭 曲 了 附 近 的 時 空 ， 月 球 在 不 平 坦 的 時 空 以 最 自 然 的 方 式 運 行 ， 結 果 走 出 了 一 條 繞 著 地 球 轉 的 曲 線 ， 情 況 就 如 彈 珠 在 不 平 坦 的 地 面 走 ， 會 左 搖 右 擺 一 樣 。 同 樣 道 理 ， 光 線 在 通 過 大 質 量 物 質 附 近 時 ， 亦 不 會 以 直 線 運 行 。

黑 洞 是 引 力 極 強 之 地 ， 光 線 路 徑 扭 曲 的 程 度 ， 足 以 令 光 線 無 法 逃 跑 。 在 黑 洞 附 近 ， 光 線 ( 包 括 宇 宙 所 有 其 他 物 質 ) 能 否 逃 離 的 分 水 嶺 稱 為 事 件 穹 界 。 為 甚 麼 叫 事 件 穹 界 呢 ？ 原 因 很 簡 單 ， 由 於 在 事 件 穹 界 之 內 的 一 切 皆 不 能 逃 離 ， 所 以 在 這 個 界 限 以 內 發 生 的 一 切 ， 將 永 遠 不 能 為 人 所 知 ， 事 件 穹 界 便 是 事 件 能 為 人 所 探 知 的 極 限 。 對 於 一 個 史 瓦 西 黑 洞 ﹐ 即 一 個 並 不 自 轉 和 不 帶 電 的 黑 洞 ﹐ 事 件 穹 界 的 半 徑 稱 為 史 瓦 西 半 徑 (R_S) ， 數 值 的 大 小 只 取 決 於 黑 洞 的 質 量 。

R _S = 2 G M / c ²

公 式 中 的 M 是 黑 洞 的 質 量 ， G 是 引 力 常 數 ， c 是 光 速 。 太 陽 質 量 的 黑 洞 的 史 瓦 西 半 徑 約 為 3 公 里 。 在 史 瓦 西 半 徑 以 內 的 範 圍 ， 被 定 義 為 黑 洞 所 佔 有 的 空 間 。

我 們 稱 黑 洞 中 心 為 奇 點 ， 很 多 人 以 為 奇 點 是 一 個 半 徑 等 於 零 但 密 度 無 限 大 的 地 方 。 其 實 ， 比 較 正 確 的 說 法 是 我 們 根 本 不 知 道 那 裡 是 甚 麼 一 回 事 ， 因 為 我 們 所 知 的 一 切 物 理 定 律 根 本 不 適 用 於 情 況 如 此 極 端 的 地 方 。

在 事 件 穹 界 之 外 ， 有 一 個 稱 為 光 子 球 層 的 球 狀 區 域 。 在 這 裡 ， 只 要 光 線 是 以 切 線 方 式 擦 過 光 子 球 層 ， 便 會 被 黑 洞 引 力 俘 獲 ， 沿 著 這 球 層 像 衛 星 一 樣 永 遠 繞 著 黑 洞 旋 轉 。 黑 洞 的 可 怕 引 力 會 隨 著 距 離 遞 減 ， 事 實 上 假 若 我 們 的 太 陽 突 然 變 成 一 個 黑 洞 ， 地 球 並 不 會 感 到 太 陽 的 引 力 有 甚 麼 不 同 ， 仍 舊 會 依 著 同 一 軌 道 繞 著 太 陽 旋 轉 。

假 若 有 人 跌 進 了 黑 洞 ， 會 發 生 甚 麼 事 呢 ？ 首 先 ， 如 你 在 遠 處 看 著 這 個 不 幸 的 太 空 人 ， 你 會 發 覺 開 始 時 就 如 一 切 向 下 跌 的 物 體 一 樣 ， 他 跌 進 黑 洞 的 速 度 會 越 來 越 快 ， 當 他 接 近 黑 洞 ， 奇 怪 的 事 開 始 發 生 ， 你 會 發 覺 他 開 始 減 速 ， 越 接 近 事 件 穹 界 ， 他 的 速 度 便 越 慢 ， 一 切 變 得 像 慢 動 作 影 片 ， 最 後 更 彷 似 停 留 不 動 ， 永 遠 不 能 到 達 事 件 穹 界 ！

但 對 這 個 不 幸 的 太 空 人 來 說 ， 情 況 便 完 全 不 同 。 當 然 我 們 先 要 假 設 這 個 太 空 人 有 超 人 般 的 身 體 ， 不 會 被 黑 洞 的 引 力 殺 死 。 當 他 越 來 越 接 近 黑 洞 ， 黑 洞 看 來 會 越 來 越 大 ， 更 開 始 包 圍 著 他 ﹐ 只 剩 太 空 船 的 尾 窗 仍 可 看 到 外 面 的 宇 宙 ， 但 除 此 之 外 ， 倒 沒 有 甚 麼 特 別 ， 之 後 在 極 短 極 短 的 時 間 之 內 ， 他 便 會 撞 上 黑 洞 的 奇 點 。

旋 轉 黑 洞

旋 轉 黑 洞 又 稱 為 克 爾 黑 洞 ， 它 們 的 特 性 和 以 上 所 說 的 靜 止 黑 洞 很 不 同 。 旋 轉 黑 洞 有 外 內 兩 個 事 件 穹 界 ， 而 它 們 之 間 的 區 域 稱 為 能 層 。 在 能 層 內 的 物 質 會 被 黑 洞 自 轉 所 帶 動 ， 但 仍 有 機 會 逃 離 黑 洞 的 魔 掌 。 內 事 件 穹 界 才 是 真 正 的 死 亡 線 ， 一 旦 進 入 便 永 無 翻 身 之 日 。

理 論 上 ， 我 們 是 可 以 從 黑 洞 中 搾 取 它 的 自 轉 能 。 方 法 是 把 一 件 物 體 放 進 能 層 ， 然 後 把 物 體 分 成 兩 部 分 ， 讓 一 部 分 墮 進 黑 洞 ， 另 外 一 部 分 逃 離 黑 洞 ﹐ 若 我 們 適 當 地 選 擇 它 們 的 質 量 、 分 離 的 時 間 等 等 ﹐ 便 可 以 讓 逃 離 的 部 分 以 更 高 速 度 ( 即 更 高 能 量 ) 離 開 黑 洞 。 或 者 在 茫 茫 宇 宙 ， 確 有 先 進 的 天 外 文 明 ， 利 用 這 個 方 法 抽 取 黑 洞 的 能 量 呢 ！

尋 找 黑 洞

理 論 上 ， 我 們 永 遠 看 不 到 黑 洞 ， 但 這 不 表 示 我 們 沒 有 辦 法 找 到 它 們 。 普 遍 原 則 是 找 一 些 黑 而 密 度 高 的 物 體 。

在 事 件 穹 界 之 外 ， 開 普 勒 定 律 ( 請 參 閱 第 四 章 ) 仍 勉 強 適 用 。 我 們 可 以 量 度 繞 著 懷 疑 黑 洞 轉 的 氣 體 的 速 度 ( 利 用 多 普 勒 效 應 ､ 請 參 閱 第 五 章 ) ， 然 後 利 用 開 普 勒 定 律 ， 計 算 出 中 心 物 體 的 質 量 下 限 。 假 若 質 量 超 過 三 個 太 陽 質 量 ， 而 且 它 非 常 細 小 又 漆 黑 一 片 ， 我 們 便 很 有 理 由 相 信 這 是 黑 洞 。

通 常 ， 黑 洞 會 被 吸 積 盤 所 環 繞 ， 兩 極 更 有 噴 流 。 當 物 質 流 入 黑 洞 ， 會 發 射 出 強 烈 的 X 射 線 。 找 尋 這 些 X 射 線 源 亦 是 尋 找 黑 洞 ( 或 中 子 星 ) 的 重 要 方 法 。

天 鵝 座 X-1 便 是 最 早 發 現 的 懷 疑 黑 洞 。 這 物 體 的 伴 星 是 一 顆 O 型 星 ， 質 量 下 限 是 七 個 太 陽 質 量 ， 並 會 放 射 出 X 射 線 。 一 切 證 據 都 顯 示 它 極 有 可 能 是 黑 洞 。

非 星 體 黑 洞

理 論 上 ， 黑 洞 是 沒 有 質 量 的 上 下 限 。 它 們 可 以 超 乎 想 像 的 大 和 重 ， 我 們 稱 這 種 黑 洞 為 特 大 質 量 黑 洞 。 我 們 在 不 少 星 系 中 心 都 找 到 這 種 黑 洞 。 例 如 在 M87 星 系 的 核 心 內 便 有 一 個 質 量 為 3x10⁹ 個 太 陽 質 量 ， 但 直 徑 只 有 數 光 星 期 之 內 的 物 體 ， 只 有 黑 洞 才 可 能 這 麼 重 而 同 時 又 這 麼 細 小 。

星 系 NGC4261 是 另 一 個 例 子 。 吸 積 盤 的 質 量 不 計 在 內 ， 星 系 中 心 物 體 的 質 量 為 1.2x10⁹ 個 太 陽 質 量 ， 大 小 卻 只 和 太 陽 系 相 若 ， 唯 一 解 釋 便 是 它 是 一 個 特 大 質 量 黑 洞 。

知 多 一 點 點

「 黑 洞 沒 有 毛 髮 」 原 理 ： 十 年 之 前 ， 我 們 相 信 黑 洞 是 一 個 很 簡 單 的 物 體 ， 三 個 物 理 參 數 ─ 質 量 、 角 動 量 (如 要 求 不 嚴 謹 ， 可 把 它 看 成 為 自 轉 速 度 ) 和 電 荷 ─ 便 決 定 了 它 的 一 切 ， 兩 個 黑 洞 只 要 它 們 這 三 個 參 數 相 同 ， 物 理 特 性 便 完 全 一 樣 ， 黑 洞 最 初 由 甚 麼 物 質 所 造 成 是 無 關 宏 旨 的 ， 由 於 黑 洞 是 這 樣 「 單 純 」 ， 光 禿 禿 沒 有 甚 麼 特 徵 ， 所 以 天 文 學 家 謔 稱 「 黑 洞 沒 有 毛 髮 」 。 對 於 真 正 的 黑 洞 ， 由 於 它 的 強 大 引 力 足 以 離 子 化 附 近 的 物 質 ， 然 後 把 自 己 中 和 ， 所 以 應 該 沒 有 黑 洞 是 帶 電 的 。 但 我 們 最 近 發 現 ， 在 非 常 特 殊 的 條 件 下 ， 黑 洞 可 能 有 其 他 可 觀 測 的 物 理 特 性 ， 由 於 這 牽 涉 高 深 物 理 ， 在 這 裡 不 再 作 進 一 步 的 探 討 。

霍 金 蒸 發 ： 到 目 前 為 止 ， 我 們 不 斷 強 調 事 件 穹 界 是 一 條 不 歸 路 。 但 真 的 沒 有 東 西 可 逃 出 黑 洞 嗎 ？ 著 名 英 國 天 文 學 家 霍 金 得 出 了 一 個 驚 人 的 結 論 ， 他 發 現 理 論 上 黑 洞 亦 會 如 普 通 黑 體 一 樣 發 出 輻 射 ， 這 便 是 霍 金 蒸 發 理 論 。 原 來 黑 洞 亦 有 溫 度 ， 而 它 的 溫 度 和 它 的 質 量 成 反 比 ， 即 質 量 越 大 ， 溫 度 越 低 。 普 通 星 體 所 形 成 的 黑 洞 的 溫 度 低 至 根 本 無 法 量 度 ， 但 只 要 我 們 能 夠 找 到 小 型 黑 洞 ， 其 蒸 發 過 程 卻 是 可 以 觀 測 得 到 的 。

小 型 黑 洞 ： 到 目 前 為 止 ， 所 談 及 的 黑 洞 形 成 機 制 只 能 產 生 質 量 大 於 太 陽 質 量 三 倍 的 黑 洞 。 我 們 相 信 小 型 黑 洞 只 能 在 宇 宙 初 開 頭 一 秒 內 的 極 端 環 境 下 誕 生 ， 現 在 仍 有 小 型 黑 洞 存 在 嗎 ？ 理 論 上 是 可 能 的 ， 但 目 前 仍 是 疑 案 。

黑 洞 的 歸 宿 ： 若 黑 洞 會 產 生 輻 射 ， 它 便 會 逐 漸 失 去 質 量 ， 當 所 有 質 量 皆 蒸 發 掉 時 會 發 生 甚 麼 事 ？ 我 們 不 知 道 ， 科 學 家 仍 需 努 力 。

蟲 洞 ： 在 科 幻 小 說 裡 ， 我 們 經 常 可 以 看 到 作 者 利 用 蟲 洞 作 為 連 接 宇 宙 兩 處 地 方 的 捷 徑 。 小 說 中 的 英 雄 只 要 走 進 蟲 洞 ， 便 可 瞬 間 穿 梭 時 空 。 到 目 前 為 止 ， 蟲 洞 只 存 在 於 理 論 當 中 ， 作 為 時 空 隧 道 它 有 極 大 的 缺 點 ， 它 的 兩 個 出 口 皆 是 黑 洞 ！ 當 勇 敢 的 太 空 人 穿 越 蟲 洞 後 ， 他 會 發 覺 自 己 被 困 在 另 一 個 黑 洞 中 ， 他 或 許 可 在 剎 那 間 看 到 宇 宙 另 一 處 的 景 像 ， 但 會 立 即 撞 進 奇 點 而 死 亡 。