黑洞（上）

據(jù)傳說，牛頓(Isaac Newton，1643-1727)年青時(shí)逃倫敦鼠疫，在鄉(xiāng)下家后院被蘋果打中腦殼，激發(fā)出靈感，發(fā)明了古典力學(xué)理論。蘋果落地砸頭是為一個(gè)驚天地泣鬼神的發(fā)現(xiàn)做出合理的解釋。您的頭就從來沒被蘋果砸中吧?跟您說，那就是您創(chuàng)造不出萬有引力定律的根本原因!

牛頓的偉大，在于他咬定蘋果墜地和天體運(yùn)行的力量是同一碼事兒，都是來自物質(zhì)間相吸的萬有引力。

1687年發(fā)表的牛頓萬有引力定律含有一個(gè)清晰的“脫離速度”概念:一顆粒蘋果要逃脫地心引力控制，一定要以每秒至少11.2公里的速度破空而去，才能一去不復(fù)返，成為遨游宇宙的天體。在18世紀(jì)還沒有把蘋果甩到那么高速的技術(shù)，但這并不妨礙米歇爾(John Michell，1724-1793)在1783年發(fā)揮想象力，把脫離速度概念延伸到極致:一個(gè)質(zhì)量夠大的星體，它的重力場強(qiáng)到脫離速度和光的速度一樣快，那么就連光也都無法逃離這個(gè)星體了。遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，這類星體一定一團(tuán)漆黑，是顆“黑星”(black star)。

黑星的概念只管脫離速度，至于何類星體能擁有如此大的脫離速度，不在考慮之內(nèi)。所以，只要符合脫離速度為光速的星體，都是黑星。抽象地說，只要把地球所有的材料塞進(jìn)一個(gè)1厘米直徑的空間，它的表面重力場就大到光也無法逃離，那這粒有如彈珠大小的星體就成了黑星。再舉個(gè)貼身的例子，如果能把太陽縮小成一個(gè)直徑6公里的高密度球體，它也是顆黑星。這兩個(gè)數(shù)字，用高中的牛頓力學(xué)一算即得。

所以，黑星概念的出籠，完全是牛頓力學(xué)理論的幻想。當(dāng)時(shí)并不知道光速有多快，也不知道光也和物質(zhì)一樣，同樣受重力場操控，更不知道黑星內(nèi)部是何結(jié)構(gòu)，至于大個(gè)頭星體可經(jīng)重力場擠壓變小而成為以后你我所知的“黑洞”(black hole)，對18世紀(jì)的人類則是匪夷所思的天方夜譚了。

所以，黑星除了達(dá)到在想象中黑得看不見的奇怪特性外，和以后20世紀(jì)生猛鮮活的、由重力“塌縮”(collapse)而發(fā)生“內(nèi)爆”(implosion)后形成的現(xiàn)代黑洞，除了在遠(yuǎn)處測量到的重力影響范圍大小略同外，就只沾上那么一點(diǎn)“黑”的邊，對以后黑洞思維的發(fā)展雖有啟發(fā)，但非常局限。

重力塌縮

在整個(gè)19世紀(jì)，“光”和萬有引力未能掛鉤，黑星概念完全被遺忘。20世紀(jì)初，愛因斯坦(Albert Einstein，1879-1955，下稱愛氏)相對論現(xiàn)世，推翻了偉大但粗糙的牛頓力學(xué)，如前章“第一道光”中所述，光通過E=mc2和物質(zhì)水乳交融，自此:光子與重力齊飛，能量共物質(zhì)一色。

愛氏的相對論，把我們熟悉的、各自為政的時(shí)間和三維空間縫織到了一塊，成為緊密結(jié)合的時(shí)空(spacetime)四維空間，你中有我，我中有你，外加重力場作用能使這個(gè)嶄新的四維空間彎曲變形，使得當(dāng)時(shí)人類的智慧，像是剛從魔瓶中釋放出來的精靈，剎那間將宇宙空間的來龍去脈看清楚了好些。

1915年“一般相對論”發(fā)表后幾個(gè)月，施瓦茨席爾德(Karl Schwarzschild，1873-1916)就導(dǎo)引出這個(gè)理論中一個(gè)必然的數(shù)學(xué)結(jié)果:一個(gè)球形星體能因超強(qiáng)重力場而發(fā)生塌縮(gravitationally completely collapsed star)。當(dāng)時(shí)“黑洞”這個(gè)名詞尚未現(xiàn)世，所以形容這個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)論較為費(fèi)勁。至于星體塌縮后是什么結(jié)構(gòu)，也并不清楚。塌縮后變成零體積?或小體積?甚或像是黑星大小的實(shí)質(zhì)星體?

塌縮星體在數(shù)學(xué)上存在固然可喜，但因當(dāng)時(shí)對核子和量子物理知識(shí)欠缺，對塌縮后星體實(shí)際存在的可能性，人類眼前一片黑，不知下一步該何去何從。愛氏拒絕接受這個(gè)結(jié)論，認(rèn)為重力場不可能這么強(qiáng)大，塌縮的星體在宇宙中不可能存在。

1930年代，量子力學(xué)朝前發(fā)展，原子中強(qiáng)大的核子力量漸露曙光。一位年僅20歲天才型的物理學(xué)家錢德拉賽卡爾(Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995，下稱錢氏)，在從印度到英國研究所求學(xué)的船上，以理論計(jì)算預(yù)測:超出太陽質(zhì)量1.44倍的星體重力場，會(huì)沖破人類當(dāng)時(shí)所知白矮星(white dwarf star)中電漿間的排斥力，發(fā)生塌縮。至于塌縮成何類星體，仍然未知。

當(dāng)時(shí)已知最大質(zhì)量的白矮星是太陽質(zhì)量的1.44倍，而中子在兩年后的1932年才被發(fā)現(xiàn)。所以，以事后諸葛亮的神機(jī)妙算，現(xiàn)代聰明的你和我知道，白矮星塌縮后的星體是中子星(neutron star)。

錢氏的1.44極限條件公布后，備受當(dāng)代以埃丁頓(Arthur Eddington，1882-1944，下稱埃氏)為首的保守派物理學(xué)霸的攻擊，他認(rèn)為比太陽重1.44倍的白矮星不會(huì)那么容易塌縮，應(yīng)該會(huì)有別的尚未現(xiàn)形的物理力量支撐。埃氏在1919年以日全食觀測，驗(yàn)證愛氏的光受重力場彎曲，而在科學(xué)史上留名。但他晚年漸趨保守，認(rèn)定錢氏的塌陷理論為無稽之談。

先把這次科學(xué)論戰(zhàn)說完。許多當(dāng)代著名科學(xué)家明知年僅20歲的錢氏理論正確，但畏于埃氏權(quán)威，沒人敢站出來為這位少未經(jīng)事的年輕人說句公道話。錢氏看透了趨炎附勢的丑態(tài)，心灰意冷之余，棄英赴美，研究轉(zhuǎn)向，一直到1975-1983年間才又總結(jié)星體塌縮理論，出書《黑洞數(shù)學(xué)理論》(The Mathematical Theory of Black Holes)，成黑洞理論經(jīng)典之作。錢氏于1983年獲諾貝爾獎(jiǎng)，成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越埃氏，是這場科學(xué)論戰(zhàn)的最終勝利者。

錢氏的1.44極限條件是人類理解黑洞物理的一個(gè)重要里程碑。

雖然中子星的概念在1933年就被提出，但物理學(xué)家皆認(rèn)為它只是理論中幻想的星體，實(shí)際并不存在。人類一直等到1967年發(fā)現(xiàn)了“脈沖星”(pulsar)后，才確定其核心竟是塌縮后的中子星。此類星體一般皆以高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)出固定的無線電波頻率，是宇宙中自然的燈塔。

中子星的存在，證明宇宙中的星體，只要質(zhì)量超出某個(gè)極限，就可能引起重力塌縮。既然一般星體能塌縮成中子星，那超質(zhì)量的星體，能塌縮成比中子星更小的星體嗎?塌縮后又是什么樣的結(jié)構(gòu)呢?

1939年，奧本海默(J. Robert Oppenheimer，1904-1967)踏上錢氏的肩膀，以理論證明，大于太陽質(zhì)量2倍以上的星體，重力塌縮后，應(yīng)形成比中子星還小的星體，即黑洞。至此，現(xiàn)代化黑洞概念才首次登上了學(xué)術(shù)殿堂。

內(nèi)爆

重力塌縮理論出現(xiàn)后，進(jìn)展緩慢，主要是因?yàn)樗ㄖ谝粋€(gè)模糊籠統(tǒng)的重力塌縮概念上，實(shí)際的物理機(jī)制還都不清楚，諸如塌縮后向星體核心的壓縮力量如何產(chǎn)生?這股力量又要沖破什么特定的障礙，才能進(jìn)入黑洞的境界?等等。所以，在1940年代，即使把重力塌縮概念說得天花亂墜，也無法向塌縮理論輸送前進(jìn)推力。

二戰(zhàn)期間，因軍事目的，物理學(xué)家投身發(fā)展原子彈殺人武器。二戰(zhàn)后進(jìn)入美蘇冷戰(zhàn)期，接著發(fā)展氫彈關(guān)鍵的“內(nèi)爆”(implosion)引爆科技。氫彈燃料重氫氘，端賴圍繞在四周的原子彈向內(nèi)爆炸后的強(qiáng)大壓力，沖破電荷間排斥力，體積急降，塌縮后引發(fā)釋能的核聚變。氫彈的制造，需內(nèi)爆理論和計(jì)算機(jī)計(jì)算支援。1950年代氫彈試爆成功后，這項(xiàng)嶄新的科技，就被科學(xué)家轉(zhuǎn)移到星體塌縮方面的研究。

1960年代，人類掌握內(nèi)爆理論后，基本上理解了中子星形成的過程。簡單說來，為太陽質(zhì)量1.44倍的白矮星，在風(fēng)云際會(huì)的情況下，從周遭再吞噬一丁點(diǎn)兒材料，增強(qiáng)的重力場就會(huì)引發(fā)星球表面以每秒七萬公里的速度向內(nèi)塌縮，引起內(nèi)爆。星體核心被內(nèi)爆壓成中子量子狀態(tài)后，再以巨大的量子力量將從星表墜落下來的物質(zhì)反彈，瞬間產(chǎn)生向外傳送的強(qiáng)大震波，挾帶著各類輻射波和重元素氣體，以爆炸速度向星系空間擴(kuò)散，同時(shí)光度在幾天之內(nèi)可增強(qiáng)上百億倍—一顆以中子星為核心的“超新星”(Supernova)誕生了。

所以，“超新星”形成的第一步是重力引起的塌縮;第二步是塌縮后的內(nèi)爆，將星體核心擠壓成中子星;第三步再反彈外爆，只留下核心中子星。仔細(xì)研究這三步，沒有內(nèi)爆那股沖勁，中子星無法形成。

不論“超新星”再瑰麗燦爛，也不會(huì)使人類忘記追問一個(gè)關(guān)鍵問題:質(zhì)量比太陽大2倍的星體，通過上面三個(gè)步驟，殘留的核心是什么呢?比太陽大10倍的星體呢?大100倍?……

這個(gè)問題是問到核心了。比太陽質(zhì)量大2倍以上的星體，重力塌縮、內(nèi)爆后，應(yīng)形成黑洞(圖1)。據(jù)說，直到1967年這類星體才被惠勒(John Archibald Wheeler，1911-2008)命名為“黑洞”。

至此，黑洞已和愛氏的相對論十指緊扣，黑洞的大小也縮成體積幾近為零的“奇異點(diǎn)”(singularity)，由未知的“量子重力”(quantum gravity)掌控;奇異點(diǎn)附近的重力接近無窮大;包圍在它四周脫離速度為光速的四維球面被稱為“視界”(event horizon)，決定黑洞的大小(圖2)，但它不像地表一樣，并不是一個(gè)有實(shí)體的界面，只僅是一個(gè)重力場脫離速度為光速大小的參考面，和牛頓力學(xué)中黑星實(shí)體大小相同而已。

科學(xué)家和媒體熱情地接受了黑洞這個(gè)生動(dòng)易懂的名詞，唯有法國人不很喜歡，因它的法文翻譯帶有淫穢含義。

人類以理論又推想出另一類有伴星的旋轉(zhuǎn)黑洞(圖3)。在這個(gè)系統(tǒng)中貪婪的黑洞絕不客氣，永無休止地吞吸逃不出它魔掌的伴星，伴星犧牲自身，在它周圍形成一個(gè)像似旋轉(zhuǎn)的餐盤，隨時(shí)侍候黑洞的欲求。部份旋轉(zhuǎn)餐盤上的氣體因溫度的不均勻或磁場作用，供應(yīng)速度太快，黑洞好像被噎到了，竟將吞不進(jìn)去的氣體由上下兩方向噴吐出去，蔚為奇觀。

人類雖然接受了黑洞的理論概念，但宇宙中的它仍然真人不露相。人類在追尋生命遺傳基因的路上，也折騰了十多年，才知道如何詮釋遺傳密碼，以及密碼在蛋白質(zhì)合成過程中的作用。黑洞到1960年代末期，還只是紙上談兵的理論怪物。要找到黑洞，可真要費(fèi)些工夫呢!

尋找黑洞前，還要問些問題:超質(zhì)量的星體塌縮內(nèi)爆后，就只能這么噗哧一下，瞬時(shí)走上沒有實(shí)體、只有重力場奇異點(diǎn)的黑洞這條不歸路嗎?這也忒神奇了吧!別忘了中子是由一個(gè)上夸克(quark)和兩個(gè)下夸克組成的，“夸克星”(quark star)應(yīng)是中子星和黑洞的中間站。宇宙間可能有夸克星嗎?

人類未來很可能在茫茫的宇宙中找到夸克星。但到目前為止，我們對量子重力行為全然無知，這系列問題暫時(shí)無解。在此，還是先在宇宙中試圖尋找真實(shí)的黑洞再說。如果幸運(yùn)找到，經(jīng)由觀測，至少能歸納出一些黑洞的物理行為模式。至于是否能通過黑洞，一窺量子重力場的奧秘，就只能騎驢看唱本，走著瞧了。

尋找

雖然用一般可見光望遠(yuǎn)鏡看不到黑洞，但黑洞擁有超強(qiáng)的重力場，對它周遭的氣體、星塵和伴星等物質(zhì)有強(qiáng)烈的作用。所以，如果它真的存在，黑洞做不成完全的隱身人，不現(xiàn)形也難。

以圖3為例。和黑洞一樣，白矮星和中子星也可能吞食伴星，在過程中氣體前仆后繼地堆積成旋轉(zhuǎn)的圓盤和上下兩道噴射氣流。所以在宇宙間看到這類重力場活動(dòng)，不一定就是黑洞作用，但也可能標(biāo)出候選黑洞可能出現(xiàn)的位置。

黑洞的重力場超強(qiáng)，附近的氣體和星塵向它加速隕落時(shí)，相互碰撞，會(huì)產(chǎn)生高能量的X射線，甚或伽瑪射線。雖然這類氣體和星塵在和有實(shí)體的白矮星和中子星的表面碰撞時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生X和伽瑪射線，但和由黑洞產(chǎn)生的模式不同。白矮星和中子星有實(shí)體表面，朝它隕落的氣體和星塵時(shí)有或多或少量上的變化，在撞到星體表面時(shí)，產(chǎn)生的X和伽瑪射線的閃光會(huì)發(fā)生時(shí)強(qiáng)時(shí)弱不規(guī)律的變化。而氣體和星塵被黑洞吸入時(shí)，因?yàn)闆]有實(shí)際星體表面的碰撞，產(chǎn)生的X和伽瑪射線并不會(huì)有不規(guī)律閃爍現(xiàn)象。所以，在宇宙中發(fā)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的X或伽瑪射線光源，它的中心就很可能是個(gè)黑洞。

在宇宙中觀測到中子星已屬不易。但宇宙之大，無奇不有，就讓我們想象一下，兩個(gè)有如鳳毛麟角的中子星竟然碰到一塊了。中子星相撞是大動(dòng)作，相撞后核心變成黑洞，同時(shí)釋放出極強(qiáng)的、一次性的輻射能，天文學(xué)家稱其為“伽瑪射線閃爆”(gamma ray burst)。所以，觀測到這類閃爆，我們就可推測，宇宙中大概又有一個(gè)新的黑洞誕生了。用“大概”字眼，是因?yàn)橹凶有呛鸵汛嬖诘暮诙聪嘧玻灿匈が斏渚€閃爆現(xiàn)象，但這只能說是為舊黑洞添加新材料，不是新黑洞現(xiàn)形。但有伽瑪射線閃爆之地，就可能有黑洞存在。尋找黑洞時(shí)，要記住這條線索。但這類閃爆皆來自上十億光年外的星系，在我們銀河系還從未見過。追尋這類黑洞，比較辛苦。

黑洞擁有巨大的重力場，所以，如果在宇宙中有那么一塊地方，看起來好像不起眼，但有超強(qiáng)的“重力透鏡”(gravity lensing)作用，它的中心就可能有個(gè)黑洞。一般在宇宙遙遠(yuǎn)地段的星系群，也有足夠的重力透鏡效應(yīng)，所以大黑洞定有重力透鏡現(xiàn)象，但重力透鏡現(xiàn)象不一定非得由黑洞引起，這又是一個(gè)數(shù)學(xué)邏輯上必要條件，但不充分。

再想象一個(gè)有伴星的黑洞。在黑洞視界面外的伴星，只感覺到黑洞的重力場作用，若無其事地繞著黑洞，在它既定的軌道上運(yùn)行。伴星繞黑洞運(yùn)行，就像地球繞日一樣，稀松平常，并不因?yàn)槔@黑洞就特別可怕。以高倍望遠(yuǎn)鏡從地球看這顆伴星，只見它的位置忽左忽右地規(guī)律變化。再仔細(xì)分折它所發(fā)出的光譜，竟然發(fā)現(xiàn)，它也有忽前忽后的動(dòng)作:朝地球忽后離去時(shí)，光譜被拉長了，發(fā)生紅移;朝地球忽前接近時(shí)，光譜被壓縮了，發(fā)生藍(lán)移，這是伴星在軌道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)光譜“多普勒效應(yīng)”(Doppler Effect)。所以，這顆伴星是在圍繞一個(gè)看不見的中心運(yùn)行，這個(gè)隱形的中心就是個(gè)黑洞。另外，由伴星的軌道大小和周期，就可以計(jì)算出中央星體的質(zhì)量。如果質(zhì)量超出太陽好多倍，中央星體必是黑洞無疑。

1960年代，人類以豐富的天文知識(shí)，開始尋找黑洞。

1964年，一個(gè)很強(qiáng)的X光光源在天鵝座的η星附近被發(fā)現(xiàn)，定名“天鵝X-1”(Cygnus X-1)，距地球約6，000光年(圖4)。緊挨著這個(gè)X光光源旁，有個(gè)名為HDE26868的伴星，和它形成有如圖3的結(jié)構(gòu)。從伴星的軌道參數(shù)和光譜紅移和藍(lán)移數(shù)據(jù)，計(jì)算出X光光源內(nèi)含有一個(gè)8.7倍太陽質(zhì)量的隱形星體。1971年天文界鎖定這個(gè)隱形星體應(yīng)是人類找到的第一個(gè)黑洞。1974年，兩位著名的宇宙學(xué)家霍金(Stephen Hawking，1942-)和索恩(Kip Thorne，1940-)還為這個(gè)候選黑洞下注打賭，索恩是、霍金否，賭局一直到1990年才收盤，霍金認(rèn)輸。

1990年后，黑洞的發(fā)現(xiàn)報(bào)告，層出不窮。黑洞的大小，從10到上億太陽質(zhì)量都有。距地球約26，000光年的銀河系核心的人馬座，就有一個(gè)高達(dá)4.31百萬太陽質(zhì)量的黑洞，并有一個(gè)約一萬個(gè)太陽質(zhì)量的伴黑洞(圖5)，軌道周期100年。

目前人類發(fā)現(xiàn)最大的黑洞擁有太陽質(zhì)量的180億倍，位于類星體(Quasar) QJ287核心，距地球35億光年，也是個(gè)雙黑洞星系，伴黑洞也有太陽質(zhì)量的1億倍，軌道周期約12年。目前估計(jì)，這個(gè)伴黑洞在1萬年內(nèi)，會(huì)被主黑洞吸入。這兩個(gè)大塊頭黑洞將聯(lián)合推出宇宙中一出超級的煙火秀。萬年后人類還不會(huì)滅絕，應(yīng)看得到。

從理論上來講，黑洞的質(zhì)量沒有上限。宇宙中經(jīng)由塌縮內(nèi)爆機(jī)制產(chǎn)生的黑洞，質(zhì)量有下限，不應(yīng)小于約2個(gè)太陽質(zhì)量。但在宇宙大霹靂最初時(shí)期暴脹的極高能量環(huán)境下，“微小黑洞”(micro black hole)可能存在，質(zhì)量可能由一座山到月球大小。下文會(huì)提到，這類黑洞出現(xiàn)后幾乎即刻轉(zhuǎn)變成伽瑪射線蒸發(fā)。如果這些閃爆連連的伽瑪射線真的如此這般發(fā)生過，137億年后它們就會(huì)剛剛好傳到地球。2008年5月，美、日、法、德、意和瑞典諸國，合資發(fā)射“費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡”(The Fermi Gamma-ray Space Telescope)(圖6)，攜帶“大面積望遠(yuǎn)鏡”(The Large Area Telescope，LAT)(圖7)，任務(wù)目的就是要測量宇宙的伽瑪射線閃爆劑量，一窺大霹靂最初時(shí)期制造微小黑洞的玄機(jī)奧秘。(下期待續(xù))