【文/馬克斯‧ 尚恩(Marcus Chown);譯者/戴凡惟】

 

物體接近黑洞事件視界的示意圖。然而這真的是無法回頭的分界點嗎?

 

從前我們認為沒有任何東西能從黑洞裡逃脫,包括光在內。這就是黑洞之所以「黑」的緣故。然後霍金出現了,他的理論顯示黑洞周圍的空間會發射光子和其他次原子粒子,讓物理學界大為震驚。在砸下「霍金輻射」這枚震撼彈的40年後,這位舉世聞名的劍橋大學物理學家可能再度顛覆大家既有的想像。霍金在他最近出版的論文裡宣稱,其實東西會從黑洞裡流出。如果他是對的,黑洞就不是我們原本以為的樣子了。事實上以最嚴格的定義來看,它們甚至可能不存在。

一般所知的黑洞, 是大質量恆星耗盡核心燃料時產生的。由於星體沒有足夠的熱來抗衡自身的重力,導致核心潰縮, 形成點狀的「奇異點」(singularity)。奇異點周圍包覆著一層「事件視界」(event horizon), 這是想像的球面,物質一旦落入黑洞的事件 視界內,就無法脫離了。卡爾‧史瓦西(Karl Schwarzschild)在1916年首度運用愛因斯坦嶄新的重力理論推論出這種視界的存在。1971年X光觀測衛星「自由號」(Uhuru)第一次發現真正的黑洞「天鵝座X-1」。如今我們已知銀河系中的黑洞有十幾個,不過一般認為銀河系應該還有數百萬個黑洞。

不過除了這些「恆星型黑洞」之外,還有另一種更離奇的黑洞類型。1963年荷裔美籍天文學家馬丁‧施密特(Maarten Schmidt)所發現的類星體(quasar)是這類黑洞的最初證據。類星體通常能從比太陽系還小的體積,釋放出相當於一百個正常星系的能量。這驚人光亮唯一的合理來源,是物質被吸入黑洞時升溫而產生的白熾光。不過這裡說的不是普通的黑洞,它的質量高達太陽的300億倍!

起初大家認為這種「超大質量黑洞」只驅動了占全部星系1%的「活躍星系」(active galaxy)。不過後來發現幾乎每個星系中心都藏了一顆超大質量黑洞,讓大家跌破眼鏡。例如銀河系中心就有一顆中等大小的超大質量黑洞「人馬座A*」,「只有」太陽的430萬倍。

 

無中生有的奇幻邊界?

霍金在1974年發現,黑洞周圍的視界具有不尋常的性質。黑洞除了驅動宇宙中某些最活躍的天體之外,還讓理論物理學家有了獨特的機會研究極端條件下的物理現象。量子理論是描述微觀世界的最佳理論,它允許次原子粒子及對應的「反粒子」能憑空突然成對出現,只要這對粒子在極短的時間內彼此湮滅消失即可。霍金發現,在視界外圍有可能發生這樣的狀況:粒子對的其中一個粒子落入黑洞中,另一個粒子卻逃逸出去。倖存的粒子無法成對湮滅,就一直存續下去。這種粒子從視界往各方向發射出去,形成了霍金輻射。

產生這種粒子所需的能量必須有某種來源。事實上,這些能量是源自黑 洞的重力位能,黑洞因此逐漸縮小,最後完全消失。這就引發一個嚴重的問題:物理學有項基本前提是,資訊無法憑空冒出或消滅。如果黑洞最後消失了,那些黑洞前身的星體資訊跑哪去了呢?物理學家近年來的結論是,霍金輻射應該是經過「調變」(就像廣播電台發射的電磁波經過人聲調變一樣),將星體資訊逐漸釋放回宇宙中。

 

 

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第37期(2014年9月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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