宇 宙 的 本 質 ( 第 十 七 章黑洞 )
黑 洞
如我們把一顆石塊向上拋， 它會很快跌回地面， 我們用點勁拋， 它會飛得高一點； 假若再加把勁， 令石塊向上速度達 逃 逸 速 度 ， 它便會直衝出宇宙， 一去不返。
恆星質量越大， 體積越小， 引力的羈絆便越大， 所需逃逸速度亦越高。另一方面， 愛恩斯坦的相對論斷言宇宙中最高的速度便是光速， 所以如所需的逃逸速度大於光速， 那麼宇宙中包括光在內的一切都不可能逃離引力的魔掌， 這顆恆星便成為 黑 洞 。
不 了 解 廣 義 相 對 論 ， 便 不 能 真 正 了 解 黑 洞 。廣義相對論的中心思想是質量會扭曲其附近的時空， 質量越大， 影響越明顯。牛頓力學認為月球繞地球旋轉， 是因為月球受到地球引力的吸引； 但廣義相對論的說法則是地球的質量扭曲了附近的時空， 月球在不平坦的時空以最自然的方式運行， 結果走出了一條繞著地球轉的曲線， 情況就如彈珠在不平坦的地面走， 會左搖右擺一樣。同樣道理， 光線在通過大質量物質附近時， 亦不會以直線運行。
黑洞是引力極強之地， 光線路徑扭曲的程度， 足以令光線無法逃跑。在黑洞附近， 光線( 包括宇宙所有其他物質) 能否逃離的分水嶺稱為 事 件 穹 界 。為 甚 么 叫 事 件 穹 界 呢 ？原因很簡單， 由於在事件穹界之內的一切皆不能逃離， 所以在這個界限以內發生的一切， 將永遠不能為人所知， 事件穹界便是事件能為人所探知的極限。對 於 一 個 史 瓦 西 黑 洞 ﹐ 即一個並不自轉和不帶電的黑洞﹐ 事件穹界的半徑稱為 史 瓦 西 半 徑 (RS) ， 數值的大小隻取決於黑洞的質量。
我 們 稱 黑 洞 中 心 為 奇 點 ， 很多人以為奇點是一個半徑等於零但密度無限大的地方。其實， 比較正確的說法是我們根本不知道那裡是什麼一回事， 因為我們所知的一切物理定律根本不適用於情況如此極端的地方。
在事件穹界之外， 有一個稱為 光 子 球 層 的 球 狀 區 域 。在這裡， 只要光線是以切線方式擦過光子球層， 便會被黑洞引力俘獲， 沿著這球層像衛星一樣永遠繞著黑洞旋轉。黑洞的可怕引力會隨著距離遞減， 事實上假若我們的太陽突然變成一個黑洞， 地球並不會感到太陽的引力有什麼不同， 仍舊會依著同一軌道繞著太陽旋轉。
假若有人跌進了黑洞， 會發生什麼事呢？首先， 如你在遠處看著這個不幸的太空人， 你會發覺開始時就如一切向下跌的物體一樣， 他跌進黑洞的速度會越來越快， 當他接近黑洞， 奇怪的事開始發生， 你會發覺他開始減速， 越接近事件穹界， 他的速度便越慢， 一切變得像慢動作影片， 最後更仿似停留不動， 永遠不能到達事件穹界！
但對這個不幸的太空人來說， 情況便完全不同。當然我們先要假設這個太空人有超人般的身體， 不會被黑洞的引力殺死。當他越來越接近黑洞， 黑洞看來會越來越大， 更開始包圍著他﹐ 只剩太空船的尾窗仍可看到外面的宇宙， 但除此之外， 倒沒有什麼特別， 之後在極短極短的時間之內， 他便會撞上黑洞的奇點。
旋 轉 黑 洞
旋 轉 黑 洞 又 稱 為 克 爾 黑 洞 ， 它們的特性和以上所說的靜止黑洞很不同。旋轉黑洞有外內兩個事件穹界， 而它們之間的區域稱為 能 層 。在能層內的物質會被黑洞自轉所帶動， 但仍有機會逃離黑洞的魔掌。內事件穹界才是真正的死亡線， 一旦進入便永無翻身之日。
理論上， 我們是可以從黑洞中榨取它的自轉能。方法是把一件物體放進能層， 然後把物體分成兩部分， 讓一部分墮進黑洞， 另外一部分逃離黑洞﹐ 若我們適當地選擇它們的質量、 分離的時間等等﹐ 便可以讓逃離的部分以更高速度( 即更高能量) 離開黑洞。或者在茫茫宇宙， 確有先進的天外文明， 利用這個方法抽取黑洞的能量呢！
尋 找 黑 洞理論上， 我們永遠看不到黑洞， 但這不表示我們沒有辦法找到它們。普遍原則是找一些黑而密度高的物體。
在事件穹界之外， 開普勒定律( 請參閱 第 四 章 ) 仍 勉 強 適 用 。我們可以量度繞著懷疑黑洞轉的氣體的速度( 利用多普勒效應﹑ 請參閱 第 五 章 ) ， 然後利用開普勒定律， 計算出中心物體的質量下限。假若質量超過三個太陽質量， 而且它非常細小又漆黑一片， 我們便很有理由相信這是黑洞。
通常， 黑洞會被吸積盤所環繞， 兩極更有噴流。當物質流入黑洞， 會發射出強烈的X 射線。找尋這些X 射線源亦是尋找黑洞( 或中子星) 的重要方法。
天鵝座X-1 便是最早發現的懷疑黑洞。這物體的伴星是一顆O 型星， 質量下限是七個太陽質量， 並會放射出X 射線。一切證據都顯示它極有可能是黑洞。
非 星 體 黑 洞理論上， 黑洞是沒有質量的上下限。它們可以超乎想像的大和重， 我們稱這種黑洞為 特 大 質 量 黑 洞 。我們在不少星系中心都找到這種黑洞。例如在M87 星系的核心內便有一個質量為3x109 個太陽質量， 但直徑只有數光星期之內的物體， 只有黑洞才可能這麼重而同時又這麼細小。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
星 系 NGC4261 是 另 一 個 例 子 。吸積盤的質量不計在內， 星系中心物體的質量為1.2x109 個太陽質量， 大小卻只和太陽系相若， 唯一解釋便是它是一個特大質量黑洞。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
知 多 一 點 點「 黑 洞 沒 有 毛 發 」 原理： 十年之前， 我們相信黑洞是一個很簡單的物體， 三個物理參數─ 質量、 角動量(如要求不嚴謹， 可把它看成為自轉速度) 和電荷─ 便決定了它的一切， 兩個黑洞只要它們這三個參數相同， 物理特性便完全一樣， 黑洞最初由什麼物質所造成是無關宏旨的， 由於黑洞是這樣「 單純」 ， 光禿禿沒有什麼特徵， 所以天文學家謔稱「 黑洞沒有毛髮」 。對於真正的黑洞， 由於它的強大引力足以離子化附近的物質， 然後把自己中和， 所以應該沒有黑洞是帶電的。但我們最近發現， 在非常特殊的條件下， 黑洞可能有其他可觀測的物理特性， 由於這牽涉高深物理， 在這裡不再作進一步的探討。
霍 金 蒸 發 ： 到目前為止， 我們不斷強調事件穹界是一條不歸路。但真的沒有東西可逃出黑洞嗎？著名英國天文學家霍金得出了一個驚人的結論， 他發現理論上黑洞亦會如普通黑體一樣發出輻射， 這便是霍金蒸發理論。原來黑洞亦有溫度， 而它的溫度和它的質量成反比， 即質量越大， 溫度越低。普通星體所形成的黑洞的溫度低至根本無法量度， 但只要我們能夠找到小型黑洞， 其蒸發過程卻是可以觀測得到的。
小 型 黑 洞 ： 到目前為止， 所談及的黑洞形成機制只能產生質量大於太陽質量三倍的黑洞。我們相信小型黑洞只能在宇宙初開頭一秒內的極端環境下誕生， 現在仍有小型黑洞存在嗎？理論上是可能的， 但目前仍是疑案。
黑 洞 的 歸 宿 ： 若黑洞會產生輻射， 它便會逐漸失去質量， 當所有質量皆蒸發掉時會發生什麼事？我們不知道， 科學家仍需努力。
蟲 洞 ： 在科幻小說里， 我們經常可以看到作者利用蟲洞作為連接宇宙兩處地方的捷徑。小說中的英雄只要走進蟲洞， 便可瞬間穿梭時空。到目前為止， 蟲洞只存在於理論當中， 作為時空隧道它有極大的缺點， 它的兩個出口皆是黑洞！當勇敢的太空人穿越蟲洞後， 他會發覺自己被困在另一個黑洞中， 他或許可在剎那間看到宇宙另一處的景像， 但會立即撞進奇點而死亡。
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