暗能量 - 黑洞

 


NASA黑洞的模似圖:(法新社資料圖片)

 

黑洞(Black hole)是根據現代的廣義相對論所預言的,在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體(並非為一個「洞」)。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生重力塌縮而形成。黑洞的質量是如此之大,它產生的重力場是如此之強,以致於任何物質和輻射都無法逃逸,就連光也逃逸不出來。由於類似熱力學上完全不反射光線的黑體,故名為黑洞。[1]在黑洞的周圍,是一個無法偵測的事件視界,標誌着無法返回的臨界點。

歷史

歷史上,第一個意識到一個緻密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國地理學家John Michell。他在1783年寫給亨利·卡文迪什一封信中提出這個想法的,他認為一個和太陽同等質量的天體,如果半徑只有3公里,那麼這個天體是不可見的,因為光無法逃離天體表面。1796年,法國物理學家拉普拉斯曾預言:「一個質量如250個太陽,而直徑為地球的發光恆星,由於其重力的作用,將不允許任何光線離開它。由於這個原因,宇宙中最大的發光天體,卻不會被我們看見」。拉普拉斯依據牛頓萬有引力定律求得黑洞半徑。現代物理中的黑洞理論建立在廣義相對論的基礎上。由於黑洞中的光無法逃逸,所以我們無法直接觀測到黑洞。然而,可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。比如說,恆星在被吸入黑洞時會在黑洞周圍形成吸積氣盤,盤中氣體劇烈摩擦,強烈發熱,而發出X射線。藉由對這類X射線的觀測,可以間接發現黑洞並對之進行研究。迄今為止,黑洞的存在已被天文學界和物理學界的絕大多數研究者所認同,天文界並不時提出於宇宙中觀測發現到已存在的黑洞。

結構特性

目前公認的理論認為,黑洞只有三個物理量可以測量到:質量、電荷、角動量。也就是說:對於一個黑洞,一旦這三個物理量確定下來了,這個黑洞的特性也就唯一地確定了,這稱為黑洞的無毛定理,或稱作黑洞的唯一性定理。但是這個定理卻只是限制了古典理論,沒有否認可能有其他量子荷的存在,所以黑洞可以和大域單極或是宇宙弦共同存在,而帶有大域量子荷。黑洞具有潮汐力,越小的黑洞潮汐力越大,反之,越大的黑洞潮汐力越小,旋轉的黑洞有內視界和外視界,並會有一個奇異環,一切越過視界的東西最終都會落向奇異點,越大的黑洞從視界到奇異點所花的時間越長。
當大質量天體演化末期,其塌縮核心的質量超過太陽質量的3.2倍時,由於沒有能夠對抗重力的斥力,核心坍塌將無限進行下去,從而形成黑洞。(核心小於1.4個太陽質量的,會變成白矮星;介於兩者之間的,形成中子星)。天文學的觀測表明,在絕大部分星系的中心,包括銀河系,都存在超大質量黑洞,它們的質量從數百萬個直到數百億個太陽。愛因斯坦的廣義相對論預測有黑洞解。其中最簡單的球對稱解為史瓦西度規。這是由卡爾·史瓦西於1915年發現的愛因斯坦方程式的解。
根據史瓦西解,如果一個重力天體的半徑小於一個特定值,天體將會發生坍塌,這個半徑就叫做史瓦西半徑。在這個半徑以下的天體,其中的時空嚴重彎曲,從而使其發射的所有射線,無論是來自什麼方向的,都將被吸引入這個天體的中心。因為相對論指出在任何慣性座標中,物質的速率都不可能超越真空中的光速,在史瓦西半徑以下的天體的任何物質,都將塌陷於中心部分。一個有理論上無限密度組成的點組成重力奇點(gravitational singularity)。由於在史瓦西半徑內連光線都不能逃出黑洞,所以一個典型的黑洞確實是絕對「黑」的。就輻射譜而言,黑洞與有溫度的物體完全一樣,而黑洞所對應的溫度,則正比於黑洞視界的重力強度。換句話說,黑洞的溫度取決於它的大小。若黑洞只比太陽的幾倍重,它的溫度大約只比絕對零度高出億分之一度,而更大的黑洞溫度更低。因此這類黑洞所發出的量子輻射,一律會被大爆炸所留下的2.7K輻射(宇宙背景輻射)完全淹沒。事件視界又稱為黑洞的視界,事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的資訊,或者受到事件視界以內事件的影響。事件視界是造成黑洞所以被稱為黑洞的根本原因,不過實際的觀測還沒有發現事件視界. 光子球是個零厚度的球狀邊界。在此邊界所在位置上,黑洞的重力所造成的重力加速度,剛好使得部份光子以圓形軌道圍着黑洞旋轉。對於非旋轉的黑洞來說,光子球大約是史瓦西半徑的一點五倍。這個軌道不是穩定的,隨時會因為黑洞的成長而變動。光子球之內光子依然有可能因素可以脫離, 但是對於外部的觀察者來說,任何觀察到由黑洞發出的光子,都必須處於事件視界與光子球之間。這也是反對黑洞存在的人所依據的強烈反對事實之一,透過觀察光子球的光子能量,無法找到事件視界存在的證據。參考系拖曳圈(Ergosphere,又稱Frame Dragging或是Lense Thirring Effect,「蘭斯-蒂林效應圈」),轉動狀態的質量會對其周圍的時空產生拖拽的現象,這種現象被稱作參考系拖拽。旋轉黑洞才有參考系拖曳圈,也就是黑洞南北極與赤道在時空效應上有所不同,這會產生一些奇妙的效應來讓我們有機會斷定其實實在在是一顆黑洞的特徵之一。觀測者可以利用光圈效應及參考系拖曳圈,觀測進入或脫離黑洞的光子的運動,透過間接的手段,例如粒子含量的分佈及Penrose Process(旋轉黑洞的能量拉出過程),來間接了解其重力的分佈,透過重力的分佈重新建立出其參考系拖曳圈。這種觀測方式,只有雙星以上的系統才能夠進行這樣的觀測。黑洞周圍由於重力強大的因素,理論預期會發生時間場異常現象,這包含了周圍的參考系拖曳圈及事件視界效應。
此外,由於時間物理學尚未發展,時間意義失效的區域,目前物理學還無能力進行探討。黑洞的合併會發射強大的重力波,新的黑洞會因後座力脫離原本在星系核心的位置。如果速度足夠大,它甚至有可能脫離星系母體。
   

140億年前﹐是一個點﹐體積小﹐質量大﹐溫度高。然後﹐這個點發生爆炸﹐並開始膨脹﹐溫度也隨之降低---宇宙就這樣形成了。這是目前科學界中解釋宇宙起源的大爆炸理論。儘管如此﹐大爆炸理論只是搭好了研究的框架﹐框架裡諸多問題不是猶抱琵琶半遮面﹐就是依然懸而未解。2002年﹐科學家們在宇宙探索領域諸如暗能量、黑洞、宇宙的最終命運等課題上都有了最新發現﹕暗能量有了新的存在證據﹐並且研究顯示﹐三分之二的宇宙可能由神秘的暗能量組成﹔黑洞可能不論大小﹐都具有相同的波動規律﹐“缺失的一環”中型黑洞也終於找到了。此外﹐銀河系中心的確存在巨型黑洞﹐並且這個黑洞處於“飢餓”狀態。科學家還觀測到銀河系內一個“逃跑”的黑洞﹔對宇宙結局﹐科學家提出了循環論﹐即宇宙可能沒有開始﹐也沒有終結﹐而處於不斷的循環之中。

暗能量﹕引力的“對手”

蘋果為什麼會落地﹖人為什麼跳不離地球﹖我們知道﹐這是因為存在引力的緣故。在宇宙大爆炸理論中﹐引力也發揮了作用﹐它使宇宙的膨脹速度減小。但科學家們最新觀測發現﹐現在宇宙實際上在不斷加速膨脹。這就是說﹐宇宙很有可能先減速、後加速膨脹﹐而且其中存在一種與引力作用相反的力把時空結構向外推。我們如今稱之為負引力﹐也就是“暗能量”。宇宙先減速後加速膨脹宇宙真的是先減速、後加速膨脹嗎﹖“暗能量”真的存在嗎﹖超新星幫助科學家解決了這個問題。超新星是爆炸中的恆星﹐它發出的亮度是幾十億顆恆星亮度的總和。我們可以從它的亮度來判斷宇宙膨脹的速度。因此﹐如果是在宇宙減速膨脹中誕生的星體﹐其發出的光到達地球時﹐該星體和地球之間的距離由於膨脹減速的原因要比預計的近﹐因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。然後可根據這一亮度差異來判斷宇宙處於減速膨脹階段。1997年﹐科學家觀測到了一顆編號為“1997ff”的超新星。對光線的相對強度進行的研究表明﹐它爆發于110億年前﹐是迄今發現的最遙遠的超新星。當時宇宙的年齡只有現在的四分之一。這顆超新星亮度是預計正常亮度的兩倍﹐而且比距離更近、更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家據此判斷﹐“1997ff”爆炸時宇宙處於減速膨脹階段。這一髮現不僅證實了宇宙膨脹先減速後加速﹐也證明宇宙中確實存在暗能量。暗能量和引力兩者綜合決定宇宙的膨脹速度。引力如膠水一樣﹐試圖把物質結合在一起﹔暗能量與引力相反﹐試圖將物體分開。據推測﹐大約在60億年前﹐引力在與暗能量的較量中落敗﹐暗能量佔據上風﹐宇宙進入加速膨脹狀態。 

暗能量佔宇宙的三分之二

“暗能量”的概念最早是由愛因斯坦提出來的﹐但後來愛因斯坦把這個概念說成是他科學生涯中的大錯誤﹐因為它破壞了廣義相對論的優美性。從那以後﹐暗能量成了科學家爭論的話題。今年2月的美國《發現》雜誌提出了物理學11大困擾﹐其中一大困擾就是暗能量。一般認為﹐暗能量不是物質﹐而更接近能量。根據計算﹐常規物質和看不見的物質---暗物質加起來並不足以構成整個宇宙﹐剩餘成份就是暗能量。那暗能量佔據宇宙成份的多大比例﹖科學家猜測說﹐可能達到三分之二。這一猜測近日得到了證實。科學家這一次使用的是類星體。類星體是宇宙中的“四不象”﹐體積相對較小而能量巨大。它在一般光學觀測中類似恆星﹐但實際與恆星並不相同﹐因此被稱為類星體。一些質量巨大的天體會導致經過它們附近的光線等發生彎曲﹐使遙遠天體的成像產生扭曲和變形﹐這一原理與光學透鏡類似﹐因而被稱為“引力透鏡”效應。借助設在英國和美國的一些大型射電望遠鏡﹐科學家們共對數千個遙遠類星體進行了觀測﹐結果發現平均每700個類星體中就有一個受到“引力透鏡”的影響﹐其射電信號會發生彎曲﹐最終出現兩個以上“虛像”。科學家們認為﹐這也許只有暗能量才能解釋。他們的進一步分析表明﹐在假設暗能量佔到宇宙成份的三分之二時﹐理論計算與實際觀測的結果最為吻合。這一計算過程我們暫且不去深究。暗能量如此奇怪﹐以至於甚至連負責這一研究的英國曼徹斯特大學的伊恩•布朗說﹕“宇宙由暗物質所統治﹐這想法太奇怪了。值得大家去仔細研究驗證。”任何給定的空間暗能量都很小我們為什麼感受不到暗能量﹖科學家說﹐在任何一個給定的空間裡﹐
暗能量的量很小﹐因此它的作用在日常生活中不能被感覺出。但在廣漠的宇宙空間中﹐其效果將非常強大﹐足以使星系和星系簇分離開。

黑洞﹕謎一樣的天體

沒有一種天體比黑洞更能說明引力的威勢了。黑洞不是黑的﹐也不是一個空洞。它是一個實在的天體。在很多科普文章中﹐它被冠以“怪物”的昵稱。黑洞之所以能在宇宙中“橫行霸道”﹐是因為它擁有強到連光都不能逃脫束縛的引力武器。黑洞能實現時空轉黑洞引起人們興趣的一個重要原因是﹐時間和空間在黑洞中消失﹐這意味著通過黑洞有可能將我們現在的時間和空間連接另外一個時間和空間﹐時間旅行有可能實現。黑洞還有許多其他特性。比如﹐1999年﹐科學家發現﹐如果“食物”太多﹐黑洞有可能會“因噎廢食”。這意味著﹐引力強大無比的黑洞﹐可能並非擁有所假設的吞噬一切的“胃口”。模擬結果發現﹐物質環在落入黑洞過程中﹐先被黑洞吞下的部份還會不斷被吐出﹐最終使得只有很少一部份物質環真正進入黑洞。科學家們認為﹐這一結果顯示黑洞並不像假設的那樣能吞下“喂”給它的一切“食物”﹐並且強行“塞”給黑洞大量“食物”還很可能會將它“噎”住。黑洞不論大小﹐不論質量﹐都有著相同的波動規律﹐如同快慢不同地演唱音調相同的“同一首歌”。這一特性是科學家于今年4月對由超巨黑洞和小質量黑洞發出的X射線輻射進行比較研究時發現的。超巨黑洞一般存在於星系的中心﹐質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。小質量黑洞質量與太陽基本處於一個數量級﹐主要由質量相當于太陽10倍左右的恆星發生超新星爆炸形成。科學家發現中型黑洞到底有沒有中型黑洞呢﹖科學家今年9月才找到這中間“缺失的一環”。這次的功能應歸功于哈勃太空望遠鏡﹐它觀測到了兩個中型黑洞﹐一個位於飛馬星座的M15球狀星團﹐距地球3﹒2萬光年﹐質量為太陽的4000倍。另一個黑洞位於仙女星系的G1星團中﹐質量相當于2萬個太陽﹐距離地球220萬光年。M15和G1這兩個星團都包含著大量緊湊排列的恆星﹐其中一些恆星相當古老﹐誕生于距今100多億年前。新觀測到的兩個中等質量黑洞都位於球狀星團而非星系之中。

超巨黑洞位於星系中心

超巨黑洞位於星系中心﹐據推測每個星系都有﹐質量一般約為星系總質量的0﹒5%。目前﹐關於超巨黑洞的形成主要有兩種理論。一種觀點認為﹐它可能是隨著星系的誕生一次性產生的。但也有推測說﹐超巨黑洞是以質量更小的黑洞為基礎形成的﹐後者就好比是一些“種子”﹐隨著時間的推移進化成了巨型黑洞。

銀河系巨型黑洞質量為太陽的370萬倍

今年10月﹐歐洲科學家宣佈了銀河系中心存在超巨黑洞的最佳證據。他們說﹐過去20年中﹐科學家們一直在觀測銀河系中心一些星體的活動情況﹐尤其對一顆名為S2的星體的運行軌道進行了跟蹤研究﹐最終得出結論﹕S2附近確實存在一個巨型黑洞。質量是太陽7倍的S2﹐以每小時1﹒8億公里的高速每15﹒2年繞銀河系中心一周。之所以如此高速﹐是因為它週圍存在黑洞﹐“害怕”被黑洞“吞噬”。經過計算﹐這一黑洞距地球2﹒6萬光年﹐質量是太陽的370萬倍。銀河系中心黑洞每年“食量”不足地球質量的1%銀河系中心黑洞或許正處於“飢餓”狀態。科學家原先預測﹐它每年吞噬約相當于十倍于地球質量的“食物”。但實際上﹐它每年吞噬“食物”還不足地球質量的百分之一。黑洞“食量”是根據它吞噬“食物”時發出X射線的強弱程度計算出來的。科學家還提出﹐如果黑洞獲得了源源不斷的“食物供給”﹐就可能從相對安靜的狀態中“醒來”﹐處於活躍狀態中。

人類將能製造微型黑

大量微型黑洞不久將能在實驗室裡製造出來。這一任務將由大型強子對撞機完成。目前歐洲核子研究中心正在建造大型強子對撞機﹐估計于2005年完工。屆時﹐它將是世界最大的粒子加速器。用它長達27公里的環形隧道加速粒子﹐然後使這些粒子相撞﹐就能創造出與宇宙大爆炸之後萬億分之一秒時的狀態類似的條件﹐同時還可以每秒1個的速度製造大量微小的黑洞﹐每個體積不到一個原子核的百萬分之一。之所以能製造出微型黑洞﹐是因為大型強子對撞機能把大量能量壓縮在很小的空間裡﹐但這些黑洞的消逝也可能像雪花消融一樣容易。

儘管不希望出現這一天﹐但科學家還是忍不住要討論一下宇宙的結局。它會是什麼樣呢﹖現在存在3種觀點。

膨脹論﹕宇宙不斷膨脹下去

這是英國著名理論物理學家斯蒂芬•霍金等人所持有的觀點。他們認為宇宙將永遠膨脹下去﹐不斷擴大。最終我們將看到﹐星體會離我們越來越遙遠﹐也越來越黯淡。這種理論的證據之一是氘元素。氘是氫元素的同位素之一﹐原子核中包括一個質子和一個中子。目前宇宙中所能探測到的所有氘元素﹐據認為都是在宇宙“大爆炸”幾分鐘後的原始核聚變過程中產生的。除了“大爆炸”之外﹐目前還沒有發現宇宙中存在其他的氘元素源。1999年﹐澳大利亞、荷蘭等國科學家組成的小組﹐對位於距地球約1500光年的獵戶星雲區域進行了測量。科學家們通過對一種氘氫分子進行分析測算後發現﹐在獵戶星雲中高度活躍的恆星形成區﹐氘原子與氫原子的比例為1比10萬。這與在宇宙其他一些區域獲得的測量結果基本一致。這些科學家們說﹐根據被普遍接受的宇宙理論﹐宇宙中正常物質總量的多少﹐決定著宇宙最終將無限制膨脹下去﹐還是會在膨脹到一定程度時轉為收縮。而氘元素密度與正常物質量直接相關。上述測量結果說明的是﹐宇宙中正常物質總量無法遏止宇宙無限膨脹的趨勢。

逆轉論﹕宇宙會在一兩百億年後凝聚到一個點

按照這種觀念﹐宇宙的膨脹速度不僅會減慢﹐而且會逆轉回去﹐將所有的物質擠壓﹐最後濃縮成一個“癥結點”﹐並在劇烈的大爆炸中消亡。今年9月7日出版的英國《新科學家》就刊登了一篇這樣觀點的文章。 這篇文章說﹐大部份暗能量理論認為﹐宇宙的加速膨脹是在全宇宙範圍的“標量場”的排斥作用下進行的﹐這種“標量場”在整個宇宙空間有著統一的量級。而過去的看法認為﹐隨著宇宙的擴展﹐上述能量場的排斥力將逐漸減小﹐最終降至零。儘管這可能使宇宙的擴展速度減慢﹐但實際上宇宙永遠不會停止膨脹。可這種看法可能是不正確的。根據超重力的一些理論﹐“標量場”的暗能量可能不僅僅是降至零﹐它還將變為負數﹐並可能降至負無窮大。這將令宇宙的擴展速度減緩﹐然後轉向相反方向﹐使空間和時間凝聚到一點﹐在一次大爆炸中消亡。這篇文章還給出了宇宙消亡的時間﹐它是今後100億到200億年﹐也就是在宇宙現有年齡兩倍時。

循環論﹕宇宙是輪迴的

這是科學家最近提出來的。該理論認為﹐宇宙將永遠不會結束﹐而是處於從生長到消亡的循環過程中。大爆炸既不是宇宙的起點也非終點﹐而只是宇宙不同階段的“過渡”。美國普林斯頓大學的天文學教授保羅•斯坦哈特與英國劍橋大學教授尼爾•圖羅克共同提出了這個觀點。他們說﹐如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生。此外﹐還有理論認為﹐人類所在的宇宙之外還有另外一個無限大的平行宇宙。這兩個宇宙在多重維度(我們所處的空間只有四個維度)中互相區分開來。兩位科學家根據現有理論計算出﹐在這兩個宇宙之間有一個力場﹐可以將兩個宇宙呈週期性地互相吸引、爾後又再排斥開來﹐如同人們鼓掌時兩隻手的動作一般。新理論認為﹐當兩個宇宙互相碰撞的時候﹐五維度暫時消失﹐這時就會發生一次大爆炸。新的物質世界在原有消散的物質塵埃中被重新“創造”出來。于1968年最早提出弦論的意大利科學家加布裡埃萊•韋內齊亞諾對新理論表示接受﹐認為該理論將使人們認識到“大爆炸只是某些事件的果﹐並非所有事件的因。”

 

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