是暗星? 還是黑洞?

是暗星? 還是黑洞?

12-23-2019

 

近數百年來, 人類對宇宙的了解有了長足的進步。人們常討論著一個有趣的问題, 在这穹蒼宇宙之中, 是否存在一種不發光, 也不反光的星体呢?

 

黑洞假說

英國劍橋天文學家約翰米歇爾 (John Michell 1724~1793), 最早提出暗星假說的人。 1783年他寫信給一位朋友, 信中提到:「倘若天上有一顆具有太陽般質量的恆星, 但直徑却只有3000米, 那麼這顆高密度的星, 会產生巨大的引力, 任何光都無法逃脱其表面…」。那時科学界都深信牛頓在1672年提出的光粒子理論。他相信宇宙中必定存在这樣黑暗的天体, 因為所有光粒子都被它吸住了, 稱其為「暗星」。

 

1796 年, 法國著名天文学家和數學家~拉普拉斯 (Pierre Simon de Laplace, 1749~1827) , 也做出類似的推論, 在他發行前兩部《天体力學》的著作中, 提到星體重力崩塌, 会造成黑洞的概念。此人提出星雲說, 那是天文史上第一個太陽系形成與演化的理論。他依循牛顿經典力学, 從動能與引力間勢能的轉化, 導出暗星質量(M)和半徑⒭之間的關係: r=2GM/C^2, G-引力常數, C-光速。

 

光的波粒二象性

1801年, 英國一位天才跨领域科学家, 托馬斯·楊 (Thomas Young, 1773~1879) 發表了史上有名「雙缝干涉」的實驗結果。 說明光不是牛頓先生描述的粒子 (Corpuscles), 而是以横波方式傳遞。这下, 以前以粒子為基礎的推論都面臨嚴重質疑與不確定性。受到衝擊最大的可能是拉普拉斯, 他悄悄地把暗星概念在他的第三部天体力学中删除了! 這時, 整個天文物理學界陷入一片混亂, 人們对牛頓萬有引力和光之間的關係, 產生不解和疑惑, 從那時起暗星的討論就被冷凍了一百多年之久!

 

一直到了1905年, 愛因斯坦開啟了光具有粒子和波動双重特性之大門, 又稱為光的「波粒二象性」。不久, 愛因斯坦提出廣義相对論, 明確指出牛顿力学只適用在速度遠低於光速的情况之下, 爭論獲得解決。

 

黑洞半徑的公式

1916年, 德國物理学家卡爾·史瓦西 (Karl Schwarzschild, 1873~1916), 对黑洞下如此的定義: 一種電中性且不旋轉的圓球体, 当其引力完全坍塌時, 其中心变成為奇異點 (Singularity), 任何物質都無法逃脱其引力, 而且那兜时空曲率变成無窮大! 他從廣義相对論的角度, 重新導出黑洞半徑的公式, 發現出來的結果竟然和拉普拉斯的一模一樣。據說是拉普拉斯演算过程之中犯了兩次錯誤, 相互抵消, 真是無巧不成書! 於是这新導出來的半徑被稱為史瓦西半徑, 任何物体只要小於史瓦西半徑內, 包括光都逃不出來。史瓦西英年早逝, 死前都還未見到自己对黑洞的研究成果, 帶給人類突破性的理解。

 

錢德拉塞卡極限

1930年, 一位19歲印度青年, 正乘船去英國留学, 船上大家都沈浸在歌舞佳肴的享樂時光中, 这小子却埋首演算, 一晚他終於算出答案, 那就是当恆星質量大於太陽質量的1.44倍, 它決不会变成当時天文界一致公認的白矮星! 超过這界限, 恆星可能坍塌成中子星、夸克星, 或者直變成黑洞。

 

这小子後來就是天文界顶顶有名的蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡 (Subrah Chandrasekhar, 1910~1995)。他23歲便獲劍橋三一學院博士學位, 成為該學院研究員, 並拜当時天体物理界名人, 亞瑟·爱丁頓 (Arthur S. Eddington) 為師。錢德拉塞卡認為恆星坍縮, 星核內的电子以光速運動, 必须納入狹義相对論考慮, 因此結果不見得會变成白矮星。这理論顯然地與愛丁頓的主張唱反調, 錢德拉塞卡当眾被愛丁頓羞辱, 受到極大的打擊。又因為愛丁頓的名望, 四周其它高手如波爾、狄拉克、泡利等人, 雖然認同年輕人的看法, 却没有一人敢站出來為他辯護, 最終錢德拉塞卡被排擠, 傷心地離開了英國, 前往美國芝加哥另謀發展。往後的日子他继續在天文界各種不同的领域裡, 開花結果, 逐漸建立聲望。1983年, 錢的極限理論終於讓他獲得諾貝爾物理學奖。比他的學生楊振寧和李政道獲諾貝爾獎晚了26年!

 

黑洞的理論

1939年9月1日，兩位美國物理學家羅伯特奧本海默(J Robert Oppenheimer)和哈特蘭斯奈德 (Hartland Snyder) 發表了第一篇關於現代黑洞的學術論文。他們預測了恆星在自身引力場的影響下會持續收縮，從而形成一個具有強大吸引力的天體，甚至連光都無法從它身上逃脫。黑洞是一種質量如此之大的天體，他提議通過其引力來探測黑洞。奧本海默後來成為曼哈頓原子彈計劃 (Manhattan Project)的負責人.普林斯頓大學後來成為新一代相對論主義者的中心。正是在那裡，核物理學家約翰·惠勒(John A Wheeler)成為奧本海默接班人。提出通過引力波來測量黑洞雙星系統。

 

黑洞的探測

1960年代起，多個引力波探測器陸續被建造啟用，並不斷地改進探測器的靈敏度。現今，這些探測器已具備探測銀河係引力波源的功能，成為天文學的主要探測工具。1984年，加州理工学院与麻省理工学院合作, 设计建造了激光干涉引力波天文台 (The Laser Interferometer Gravita-tional-Wave Observatory,  LIGO, 图-1).

 

2016年，LIGO科學團隊與法国和意大利建造的处女座干涉仪VIRGO團隊合作, 共同宣布, 測量到在距離地球13億光年處的兩個黑洞合併所發射出的引力波信號(图-2)。之後, 又陸續探測到多次引力波事件。

 

超大質量黑洞

倘若黑洞是大恆衰老死去後轉世的產物, 那麼根據以住的認知, 他们應該有下列幾個特徵, 如: 体積小、密度大、年龄比恆星老。然而今天科学家們又都皺起眉頭, 媽呀! 銀河系和許多星系中央都盤据着一些超大質量、超可怕的黑洞(Supermassive Black Hole, 图-3), 有的甚至是太陽的210億倍! 沒錯就是那麽大的怪獸。而且他們在大爆炸(137億年前)後10億年就已經蹲在那了。这實在讓人困惑, 上帝肯定又和我们開玩笑了!

 

為了要爭取諾貝爾獎, 各方高手也都開始提出一些理論, 其中一個是由美國密西根大学教授佛利斯 (Katherine Freese, 1957 ~) 的暗物質理論。她說组成暗物質的粒子是「中伴子」(Neutralino), 中伴子相互作用衝撞產生熱能、咖瑪射綫、微中子、正子和反質子, 最後形成一個暗星, 其能量來源是暗物質, 和恆星兄弟靠核能活躍是完全不同的天體。暗星蓬鬆又肥大, 個頭随便就是太陽幾十萬倍, 它的表面溫度低, 質量也可達太陽上千倍。天上这種暗星很多, 也会燃燒殆盡, 也而且会塌縮, 合併等过程, 最後会形成巨大黑洞。这種說法有人讚成, 有人反对, 需要時間驗證。

 

 

「起初神創造天地, 地是空虛混沌, 淵面黑暗, 神的靈運行在水面上。」(創 1:1~2)

聖經第一章, 第一和第二節, 就令我遐思不已。什麼是虚空? 什麽是混沌? 為什麼淵面黑暗。我, 好像一隻螞蟻爬在电腦螢幕上, 脚下一会亮, 一会暗, 一会黑白, 一会彩色。我只能快快地, 頭也不回地爬过。