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黑洞不是你想象的样子

天文航天|2013-10-8 21:28

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黑洞不是你想象的样子

 

  黑与白都不算是颜色,就艺术而言它们象征复古风,以物理来说它们分别代表“没有”以及“充满”电磁辐射,但妙的是,科学上以黑为名的专有名词似乎远多于白,毕竟用黑或暗来掩饰人类对于未知事物的无知,是再简单贴切不过。“黑暗物质”及“黑暗能量”都是典型的例子。

 

  当今黑洞已不只是个科学名词,更常被拿来做为电影的素材,甚至用以探讨哲玄学。若撇开科学不讲,黑色的洞可就有万种风情,无时不挑战着人类想象力的极限,倘以伟大论之,虽不中亦不远矣;但若要谈物理,那或许就和你想象的不大一样了。以下,我就来谈谈几个常见的黑洞迷思。

 

  黑洞是什么?

 

  黑洞的概念可远溯至十八世纪,然而它的科学内涵是在爱因斯坦提出相对论后才得以落实,至于黑洞一词则是在1967年由约翰‧惠勒(John Wheeler)提出。简单的说,“黑”就是看不见,“洞”则意指进去就出不来。

 

  要明白黑洞不难,但且先听我的两分钟相对论课程。依据广义相对论,当空间中的物质集中于一处时,会造成其四周时空结构扭曲,很类似透过凹透镜(会让影像缩小)所见到的影像扭曲,这会让行经其四周的物体(包含光在内)的路径向中心偏折,表面上就像是受到一个指向中心的拉力,该表象性的拉力就称做“重力”。重力和牛顿的万有引力不同,因为后者的着眼点在于“凡具质量的物体间都会产生一股引力”,而光子没有质量,所以依牛顿的理论,光并不会无故地偏折,也因此不会有黑洞。

 

  当上述物质集中程度达到极限时,附近的光线路径便会被极度扭曲,以致任何前进方向的尽头,都会指向物质集中的中心点,光既然绕不出来,就称做黑洞。光和任 何东西都绕不出来的范围边界,就称为“事件视界”(event horizon),它像是个球面,一旦进入了该球面便再也出不来。

 

  黑洞都很大吗?

 

  所谓黑洞的大小,就是指上述“事件视界”的大小,既然黑洞主要是透过物质集中所造成的时空扭曲而形成的,那么只要物质够集中便可形成黑洞。例如将太阳由原本的直径140万公里压缩至六公里那么小,便能形成黑洞,或将平常质量约十克的原子笔压缩至一垓分之一奈米小,也能形成黑洞。

 

  黑洞的直径和质量成正比。也就是说,黑洞可以是很小,只是在宇宙中要自然形成黑洞,通常质量都要超过太阳的三倍。目前在宇宙中已观测到的可能黑洞中,质量最大的约为太阳的百亿倍,直径将近1000亿公里,约为目前太阳大小的数万倍。我们银河系中心的可能黑洞,质量约为太阳的400万倍,直径约为太阳的十多倍。

 

  黑洞是不是很危险?

 

  黑洞的主要特性就是黑,它在形成黑洞前、后的质量并无变化,仅是体积改变,因此并不能说是危险。举例来说,如果有外星人恶作剧地以高科技将我们的太阳压缩至六公里大小而形成黑洞,那么各行星绕日的行为及周期都不会受影响,只是我们会看不见日光、失去白天而已,但一年仍是365.2422日。

 

  设想若将原子笔压缩而形成迷你黑洞,那么它便会很淡定地向地心落去,往地下打出一个迷你小洞,因为所经路径的物质会因接触到事件视界而永远被吸入黑洞,但其四周的物质则没事。既知如此,我们当然也不用担心银河系中心的大黑洞会吞噬掉我们。

 

  黑洞很黑吗?

 

  乍看之下黑洞是不发光的,但若将相对论和量子理论结合,便会发现黑洞其实可以发出微微的亮光,这就是著名的“霍金辐射”。也就是说,当粒子和反粒子在黑洞外围因量子扰动而成对出现时,反粒子会倾向被吸入黑洞,而粒子则被抛出。反粒子的质量是负的,因此在和黑洞结合后,会使黑洞的质量渐渐变小,因此从远处看去,就好像黑洞渐渐在蒸发一样。

 

  依理论推测,霍金辐射的强度会随黑洞变小而变强,但因为该辐射实在还是太微弱了,目前尚无观测证据,否则霍金教授肯定会得诺贝尔奖。

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