較真物理學名詞：從宇宙大爆炸到黑洞

在科學研究中，科學家每次發現新的自然現象或提出新的科學概念，都會創造專有名詞來命名。命名好了，可幫助理解。復雜的現象、艱深的概念會因為直觀易懂的名字而被人銘記。有些科學名詞引人入勝，激起人們的好奇心和探索欲。但如果命名不好，會讓人或產生誤解，或望文卻步。本文將對宇宙學與天體物理學中一些廣為人知的名詞作一番“咬文嚼字”，細究其詞義，探討背后的物理含義。

宇宙大爆炸不是爆炸

宇宙是指空間與時間的總和，包含了時空中所有的物質和能量。宇宙的英文Universe一詞含有Unique（唯一）的意思，也就是說只有一個宇宙，宇宙包含了一切。

物理學中有多重宇宙理論，該理論認為存在多個相互獨立的平行宇宙。然而，這僅僅是一個基于數學邏輯的假設，無法在真實世界中被證實。

我們身處其中的宇宙起源于距今約137.8億年前的一次大爆炸事件。大爆炸理論是目前公認的最可靠的宇宙起源學說。令物理學家確信大爆炸理論的最重要證據是宇宙微波背景輻射。已有大量觀測結果證實，來自宇宙所有方向的微波都有一個穩定的背景溫度——2.7開爾文。這個背景溫度是宇宙大爆炸留下來的。

哈勃空間望遠鏡的觀測結果表明，宇宙中所有天體都正在相互遠離。宇宙中任意一處的觀測者都能得出其他天體遠離自己的結論。對這個事實的一個合理解釋是宇宙空間在膨脹。隨著空間變得越來越大，處在空間中的天體就會相互遠離。三維空間的膨脹不好想象，用二維空間來舉例。在一個氣球上任意標記兩個點，然后把氣球吹脹。隨著氣球的膨脹，表面積越來越大，這兩個標記點的距離就越來越遠。三維空間也是同樣的道理。

既然現今的宇宙在膨脹，那么時間反演，越早期的宇宙，空間就越小。由此可以推斷，在最初的宇宙中，所有的物質和能量都聚集在一個極小的空間里，稱為奇點。宇宙正是從這個極小的奇點開始不斷膨脹，經歷了約137.8億年才形成我們今天的宇宙。

宇宙大爆炸的意思是說，宇宙從一個極小的空間開始在極短的時間內極速膨脹。這與人們所熟知的炸彈爆炸不是一回事。不管是化學物品的爆炸還是核彈的爆炸，都是指物質或能量在空間中迅速往外擴散，而宇宙大爆炸則是指整個宇宙空間本身在迅速膨脹。英文里的Bang這個詞是指爆炸的聲音，顯然也沒能抓住本質。但不管怎樣，英文里的The Big Bang與中文的宇宙大爆炸這個詞都已被人們廣泛接受并使用。

黑暗時期沒有可見光

宇宙大爆炸開始之后，空間迅速膨脹，溫度迅速降低。在最初的一萬億分之一秒內，4種基本相互作用先后分離出來。在隨后的10秒鐘內，各種基本粒子先后形成。有些基本粒子傳遞相互作用，而另一些基本粒子則在大約17分鐘（1000秒）內構成原子核。

由于大部分粒子都已與反粒子發生湮滅，在接下來約37萬年的時間里，宇宙的能量主要以光子的形式存在。此時的宇宙中含有一大團由原子核、電子和光子構成的高溫高密的等離子體。光子頻繁地與原子核、電子這些帶電粒子發生碰撞，因此光子的平均自由程很短，導致宇宙不透明。雖然有光子，但不能被觀測到。

大爆炸后約1.8萬年，宇宙中的溫度開始下降到電子可以被原子核捕獲，形成原子，這個過程稱為復合。約37萬年時，復合過程結束，宇宙中形成了大量中性原子，其中以氫原子為主，也有少量的氦原子。復合過程產生的原子起初處于激發態，然后很快就從激發態躍遷到基態，以光子的形式釋放出能量。這個釋放光子的過程稱為光子退耦。與帶電粒子不同，中性原子與光子的相互作用非常小，加上宇宙的密度繼續降低，因此光子的平均自由程幾乎變為無限。也就是說，此時的光子可以在宇宙中通行無阻，宇宙變得透明。

從氫原子退激釋放出來的光子的波長在可見光波段，是黃橙色的。由于宇宙空間在膨脹，對于地球上的觀測者來說，光源朝著遠離自己的方向運動。根據多普勒效應，當這些光子傳到今天的地球時，產生了紅移，即波長變大，從可見光變成了微波，這就是今天地球上觀測到的宇宙微波背景輻射。這也是目前人類能觀測到的最早的宇宙事件。

這個時期，從理論上說還有另一種機制可以產生微波輻射，即氫原子基態的兩個超精細結構能級之間的量子躍遷，釋放出波長為21厘米的光子。由于此時宇宙中存在大量的氫原子，因此21厘米光譜線應該是可以被觀測到的。如何探測21厘米光譜線是目前的一個前沿研究領域。

從大爆炸后37萬年到數億年這個時期，對于今天地球上的觀測者來說，雖然可以觀測到微波輻射，但觀測不到可見光，因此這個宇宙時期被稱為“黑暗時期”。直至大爆炸后數億年，第一代恒星誕生，恒星發出可見光，宇宙才開始有了光明，黑暗時代結束。

超新星爆發不誕生新星

第一代恒星未曾被直接觀測到，僅僅是在理論上推測其為非金屬星。這是因為，宇宙大爆炸過程產生了氫和氦，但沒有產生金屬元素。與通常所說的金屬不同，在天體物理學中把比氦重的元素統稱為金屬元素。

超新星的英文名稱為Supernova，其中nova在拉丁語中是“新”的意思，即是說，新出現一顆亮星。事實上，這顆恒星早就存在了，只因其亮度突然大幅增強才被地球上的觀測者發現，因而曾被人們誤認為是出現了一顆新星。

恒星內部發生大量氫核聚變，由聚變提供能量來抵抗引力坍縮。聚變不斷把氫變成氦。對大質量的恒星，當其核心的氫被耗盡時，外殼的氫開始發生聚變，這會使得恒星體積逐漸增大，直至變成紅超巨星。如果恒星核心的質量超過錢德拉塞卡極限，由于電子簡并壓力無法抵抗引力，核心將會突然坍縮。坍縮的過程中產生巨大的爆炸，將恒星的大部分物質高速向外拋出，這個過程稱為超新星爆發。超新星爆發產生的能量足以使一些較輕的非金屬元素聚變成較重的金屬元素。含有金屬元素的拋射物為下一代恒星的形成提供了原料。

第一代恒星的壽命一般短于數百萬年，死亡時通過超新星爆發產生少量金屬元素。這些金屬元素和氫、氦一起成為構成下一代恒星的元素，因此第二代恒星含有少量金屬。第二代恒星的壽命為數億或數十億年，其中有些恒星死亡時通過超新星爆發產生了更多的金屬元素。第三代恒星在形成過程中利用了這些金屬元素，因此富含金屬。我們熟悉的太陽就是第三代恒星。

超新星爆發產生極強的電磁輻射，發出亮度極高的可見光，并可能持續數周、數月，甚至數年。超新星的英文名稱為Supernova，其中nova在拉丁語中是“新”的意思，即是說，新出現一顆亮星。事實上，這顆恒星早就存在了，只因其亮度突然大幅增強才被地球上的觀測者發現，因而曾被人們誤認為是出現了一顆新星。

一個有名的超新星爆發例子是SN 1054，它的遺跡形成了蟹狀星云。公元1054年，中國、阿拉伯和日本的天文學家都記錄到此次超新星爆發。《宋史·天文志-第九》記載：“至和元年五月己丑，出天關東南可數寸，歲余稍沒。”《宋會要》中記載：“嘉祐元年三月，司天監言：‘客星沒，客去之兆也。’初，至和元年五月，晨出東方，守天關，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日。”

黑洞是洞嗎？

超新星爆發剩余的恒星核心繼續坍縮，巨大的壓力導致質子吸收電子，轉變成電中性的中子。恒星核心最終形成由中子構成的致密天體，稱為中子星。一般中子星直徑只有大約10公里，比一個城市還小。中子星就像是個巨大的原子核，其密度遠遠大于地球上常見的由原子構成的物質。中子星上的一小杯物質的質量超過地球上所有人類的質量總和。

如果恒星核心的質量足夠大，將會繼續坍縮至小于史瓦西半徑，最終形成黑洞。黑洞的引力場是如此之強，以至于物質和電磁波（包括可見光）都不能逃逸出來。不能逃逸的區域邊界稱為事件視界。

1916年，德國物理學家卡爾·史瓦西在求解愛因斯坦的廣義相對論方程時，發現一個具有黑洞特征的解。在20世紀初期，物理學家對黑洞的稱呼是引力坍縮天體。1960年代，美國物理學家羅伯特·迪克首次使用“黑洞”來描述這種天體。后來由于廣義相對論宗師約翰·惠勒的推廣，黑洞這個術語才被學術界廣泛采用。

事件視界外部的觀測者無法直接觀測到黑洞。通過觀測黑洞附近的天體運動，按引力作用反推，可間接證實黑洞的存在。當星際物質被黑洞吸收時，形成高速旋轉的吸積盤，發出強烈的電磁波，因此，圍繞在黑洞周圍的吸積盤是可以被觀測到的。在吸積盤中心的事件視界是一個不發光的球狀區域，從外界看來像是一個洞。

黑洞的中心是一個密度無限大的奇點。黑洞里面的時空高度扭曲，所有物質都向中心的奇點墜落。有些理論認為視界內部大部分空間是空的。若果真如此，黑洞里真有“空洞”。由于從外界觀測不到黑洞內部，其真實情況仍是一個未解之謎。

類星體與類星不同

最后來看與黑洞相關的兩個容易混淆的名詞——類星體（Quasar）與類星（Quasi-star）。

20世紀五六十年代，天體物理學家觀測到了一些從遙遠宇宙空間傳來的無線電波，但起源令人費解，于是將其描述為類恒星無線電波源（Quasi-stellar Radio Sources）。發出這些無線電波的天體則被稱為類恒星天體（Quasi-stellar Objects），縮寫為Quasar，中文翻譯為類星體。然而，后續的研究表明，類星體是正在被超大質量黑洞吸收的星系，實際上與恒星并不類似。

類星體活躍的高峰時期在大約100億年前，也就是說，類星體距離地球100億光年以上。當時宇宙中有些星系恰好接近黑洞，在黑洞強大的引力作用下，星系中的物質高速旋轉墜落，形成吸積盤，巨大的能量以電磁輻射的形式釋放出來。這個過程產生的光度遠遠大于任何恒星的光度，這使得類星體成為宇宙中最明亮的天體之一，即使在遙遠空間的類星體也能被地球上的人類觀測到。

與類星體（Quasar）不同，類星（Quasi-star）則是指一類在宇宙早期形成的假想恒星。與現代的恒星不同，類星的中心有個黑洞，因此它的另一個名稱是黑洞星。根據理論計算，當一顆恒星坍縮成黑洞時，如果恒星外殼擁有足夠大的質量，大到可以吸收坍縮產生的能量而不發生超新星爆發，就會形成一顆類星。質量如此大的恒星，只可能在氫和氦還未聚變成金屬元素的宇宙早期才會存在，即可能在第一代恒星中存在。

◎ 來源|返樸