黑洞略談

黑洞略談

- 盧昌海 -

如果要在科學術語當中評選幾個最吸引大眾眼球的術語， 黑洞 (black hole) 無疑會名列前茅。 這個試圖用引力把自己遮蓋得嚴嚴實實的傢伙不僅頻繁出沒於科幻故事中， 而且在新聞媒體上也有不低的出鏡率。 前不久， 一條有關美國國家航空航天局 (The National Aeronautics and Space Administration， 簡稱 NASA) 的 「錢德拉」 X 射線太空望遠鏡 (Chandra X-ray Observatory) 發現 「最年輕黑洞」 的新聞就被媒體競相轉載。 而有關大型強子對撞機 (Large Hadron Collider， 簡稱 LHC) 有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞， 更是不僅在過去幾年時間裡反覆出現在各大媒體的顯著位置上， 而且還將美國和歐洲的司法界都捲入其中——因為有人試圖通過法律手段來制止對撞機的啟用， 以 「拯救」 地球。 在對撞機開始試運行的 2008 年 9 月， 在印度甚至還發生了 「一個 『黑洞』 引發的血案」 ——一位 16 歲的花季女孩據說因擔心微型黑洞毀滅世界而自殺。

這個攪起了如此風波的黑洞究竟是什麼東西呢？ 我們就圍繞這兩組新聞來談談它吧。

黑洞這個概念的起源通常被回溯到 1783 年， 雖然那跟我們如今所說的黑洞其實沒太大關係。 那一年， 英國地質學家米歇爾 (John Michell) 利用牛頓萬有引力定律和光的微粒說推出了一個有趣的結果， 那就是一個密度與太陽一樣的星球如果直徑比太陽大幾百倍， 它的表面逃逸速度將會超過光速。 這意味著該星球對遠方觀測者來說將成為一顆 「暗星」 (dark star) ——因為作為微粒的光將無法從它表面逃逸。 不久之後 (1796 年)， 法國數學家拉普拉斯 (Pierre-Simon Laplace) 在其著作《世界體系》(Exposition du système du Monde) 中也提出了同樣的結果。 這個如今看來只有中學水平的結果， 就是黑洞概念的萌芽。

但這個萌芽很快就枯萎了。

枯萎的原因是它所依賴的前提之一——光的微粒說在科學界失了寵， 被所謂光的波動說所取代。 光的波動說顧名思義， 就是把光看成是一種波。 但牛頓引力對這種波會有什麼影響？ 卻是一個誰也答不上來的問題。 既然答不上這個問題， 光能否從星球表面逃逸之類的問題也就無從談起了。 因此自《世界體系》的第 3 版開始， 拉普拉斯悄悄刪除了有關 「暗星」 的文字， 他這個 「與時俱進」 的做法基本上為牛頓理論中的黑洞概念畫上了句號。

黑洞概念的捲土重來是在 20 世紀的第二個十年。 那時侯， 愛因斯坦 (Albert Einstein) 於 1915 年底提出了廣義相對論 (general relativity)。 1916 年初， 一位被第一次世界大戰的戰火卷到前線， 且罹患天皰瘡 (pemphigus)， 「陽壽」 只剩五個多月的德國物理學家施瓦西 (Karl Schwarzschild) 得到了廣義相對論的一個後來以他名字命名的著名的解——施瓦西解 (Schwarzschild solution)。 從這個解中， 我們可以得到很多推論， 比方說如果把太陽壓縮成一個半徑不到 3 公里的球體^[注一]， 外部觀測者就將再也無法看到陽光， 這就是一種現代意義下的黑洞——施瓦西黑洞。 與米歇爾和拉普拉斯的 「暗星」 不同， 現代意義下的黑洞具有很豐富的物理內涵， 並且不依賴於象光的微粒說那樣的前提^[注二]。

遺憾的是， 施瓦西解的那些推論在很長的一段時間裡不僅沒有被人們所完全了解， 反而遭來了一些針對黑洞的反對意見。 就連愛因斯坦也曾提出過一些如今看來很幼稚的反對意見^[注三]。

不過 「東邊不亮西邊亮」， 另一個方向上的研究——即對白矮星 (white dwarf) 的研究——卻殊途同歸地將科學家們引向了黑洞。 白矮星是耗盡了核聚變原料後的老年恆星， 它們的質量與太陽相仿， 塊頭卻跟地球差不多， 因而密度極高 (一湯匙的白矮星物質的質量可達好幾噸)。 白矮星的發現給科學家們帶來了一個問題： 我們知道， 恆星之所以能穩定地存在， 是因為內部核聚變反應產生的巨大的輻射壓強抗衡住了引力。 但象白矮星那樣不具有大規模核聚變反應的天體又是如何 「維穩」 的呢？ 這是一個很困難的問題。 但幸運的是， 當人們為這一問題傷腦筋時， 一門新興學科——量子力學——已經成熟了起來， 在量子力學中有一條原理叫做泡利不相容原理 (Pauli exclusion principle)。 按照這條原理， 電子是一群極有 「個性」 的傢伙， 每一個都堅持擁有獨一無二的狀態。 如果你想壓制這種 「個性」， 它們就會 「殊死抗爭」， 這種抗爭在宏觀上會體現為一種巨大的壓強， 叫做 「電子簡併壓」 (electron degeneracy pressure)。 白矮星主要就是依靠這種壓強來抗衡引力的。 當時很多人認為， 這就是恆星的終極 「養老方案」， 因為計算表明， 「電子簡併壓」 在任何情況下——即對於任何質量的恆星——都足以抗衡引力。

但一位印度年輕人無情地粉碎了這個美好的 「養老方案」， 此人名叫錢德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar)， 本文開頭提到的發現 「最年輕黑洞」 的 「錢德拉」 X 射線太空望遠鏡就是以他的名字命名的。

1930 年， 本科剛畢業的錢德拉塞卡在研究白矮星時發現了一個出人意料的結果， 那就是如果將相對論效應考慮在內， 電子簡併壓將大為減弱， 尤其是， 當白矮星的質量超過太陽質量的 1.4 倍時， 電子簡併壓將無法抗衡引力。 可電子簡併壓是當時已知的能使老年恆星抗衡引力的唯一機制， 如果這一機制不管用了， 那老年恆星的命運會是什麼呢？ 這一新問題使很多人深感不安， 其中包括重量級的英國天文學家愛丁頓 (Authur Eddington)。 愛丁頓表示， 錢德拉塞卡的結果是荒謬的， 大自然是一定會讓晚年恆星 「老有所依」 的。 用今天的眼光來看， 這是一種沒什麼說服力的單純信念式的表態。 不過在當年， 這種表態卻給錢德拉塞卡帶來了很大的麻煩， 他的論文直到一年多之後， 才在遙遠的美國找到一份雜誌發表。

後來人們知道， 恆星的 「養老方案」 其實不是唯一的， 當電子簡併壓無法抗衡引力時， 老年恆星還有另一種歸宿， 那就是中子星。 這是一種密度比白矮星還高一億倍 (從而一湯匙物質的質量可達幾億噸) 的天體， 它依靠的是與電子簡併壓相類似、 但更為強大的中子簡併壓。 不過可惜的是， 後者的強大也是有限度的， 當中子星的質量超過太陽質量的 3 倍多時， 中子簡併壓也會在巨大的引力面前敗下陣來， 這時的恆星就真的沒救了， 它的歸宿只有一個， 那就是黑洞^[注四]。 因此黑洞不僅是施瓦西解 (以及後來發現的若干其它解) 的推論， 更是大質量恆星演化的必然歸宿。

但所有這些都只是理論， 接下來的問題是： 象黑洞那樣 「黑」 的東西， 如何才能得到觀測上的證實？ 答案是： 「解鈴還需系鈴人」， 能幫助我們觀測黑洞的， 恰恰是那個使黑洞變 「黑」 的幕後推手——引力。 黑洞雖然不發光， 它的巨大引力卻足以造成許多極為顯著的觀測效應， 比方說， 如果黑洞附近有足夠多的物質， 甚至有大質量的伴星， 黑洞的巨大引力就會吞噬那些物質， 而那些物質則會在掉進黑洞之前 「垂死掙扎」——因劇烈碰撞等原因而發射出強烈的 X 射線。 探測這種 X 射線因此而成為了探測黑洞最重要的手段之一。

好了， 現在我們可以回過頭來談談本文開頭提到的那兩組新聞了。 「錢德拉」 X 射線太空望遠鏡之所以能用來尋找黑洞， 正是利用了物質在掉進黑洞之前會發射出強烈的 X 射線這一特點。 而此次發現的黑洞之所以被稱為 「最年輕」， 是因為它只有 30 多歲。 我們怎麼知道它只有 30 多歲呢？ 因為它是 1979 年觀測到的一次超新星爆發的遺迹。 不過要補充說明的是， 這個黑洞位於距我們約 5000 萬光年之遙的一個漩渦星系中， 我們如今觀測到的乃是它在 5000 萬年前所發射的 X 射線， 因此它的真正年齡其實是約 5000 萬歲而不是 30 多歲。 我們又怎麼知道它是黑洞呢？ 那是因為天文學家們利用 X 射線能譜等數據估算了它的質量， 結果約為太陽質量的 5-10 倍， 超過了中子星的最大可能質量^[注五]。 這就是 「最年輕黑洞」 這一頭銜的由來。

接下來再談談所謂大型強子對撞機有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞。 大型強子對撞機是一個設計能量為 7 萬億電子伏特 (7 TeV) 的對撞機。 那樣的對撞機會產生黑洞嗎？ 按照廣義相對論， 答案是否定的。 因為這種萬億電子伏特 (TeV) 量級的能量在微觀上雖然很高， 用宏觀標準來衡量卻是微乎其微的， 只不過是千萬分之一焦耳的量級， 這一丁點兒能量若想形成黑洞， 除非是把它壓縮到一個線度為一千億億億億億億分之一米 (10^-51 米) 的區域內， 這比所謂的普朗克長度 (Planck length) 還小得多， 與大型強子對撞機所能觸及的最小線度相比， 更是小了一億億億億倍。 因此按照廣義相對論， 大型強子對撞機是絕不可能產生微型黑洞的。

既然如此， 為什麼仍有那麼多人擔心微型黑洞呢？ 因為他們背後有 「軍師」 在指點， 那些 「軍師」 為他們的擔心注入了一條重要理由， 那就是在某些現代物理理論——比如超弦理論 (superstring theory)——中， 時空有不止四個維度。 由於引力與時空密切相關， 因此時空若有不止四個維度， 引力的規律也將有所不同， 而引力的規律一旦不同， 產生黑洞的條件就會發生變化。 理論計算表明， 在那些帶有額外維度的理論中， 確實存在一些尚未被實驗所排除的參數範圍， 使得大型強子對撞機有可能產生黑洞。

這麼一來， 事情就不太妙了。 雖然那些認為時空有不止四個維度的理論目前還都只是假設性的， 而那些使大型強子對撞機能產生黑洞的參數範圍更是假設中的假設。 但無可否認的是， 有不少物理學家對那樣的理論寄予厚望。 因此， 那樣的理論所允許發生的事情即便只是假設性的， 也不容忽視。 畢竟， 我們只有一個地球， 實在不敢拿她去賭哪怕最細微的風險。

幸運的是， 即便那些假設性的理論是正確的， 並且參數也恰好處在能使大型強子對撞機產生黑洞的範圍內， 那樣的黑洞依然是不可能毀滅地球的。 因為黑洞還有一個我們尚未介紹的重要特點， 那就是它並不是完全 「黑」 的。 1974 年， 英國物理學家霍金 (Stephen Hawking) 發現， 由於量子效應的影響， 黑洞會向外輻射能量。 這種所謂的霍金輻射 (Hawking radiation) 對於大質量黑洞來說是微乎其微的， 但對微型黑洞卻極為顯著， 而且在時空有不止四個維度的情況下依然存在。 計算表明， 由於霍金輻射的存在， 即便大型強子對撞機能夠產生黑洞， 那些黑洞也會在瞬息之間就 「人間蒸發」， 別說毀滅地球， 就連侵吞一兩個原子都未必來得及。

至此， 大型強子對撞機有可能因產生微型黑洞而毀滅地球的傳聞似乎該煙消雲散了。 但事實卻不然， 有些人依然表示懷疑， 因為霍金輻射尚未被觀測證實過。 雖然有關微型黑洞毀滅地球的擔心本身也是建立在尚未被觀測證實過的理論之上的， 但當科學家們用同樣的理論來回答他們的擔心時， 有些人卻拒絕接受。 對於這種近乎偏執的懷疑， 有一樣東西可以替科學家們作出回應， 那就是宇宙射線。

大型強子對撞機是人類迄今所建能量最高的對撞機， 但浩瀚的宇宙卻有各種辦法產生比那高得多的能量。 觀測表明， 我們所棲居的地球每秒鐘都會受到十萬次以上的超高能宇宙射線的轟擊， 那些宇宙射線與地球物質發生碰撞時所具有的能量比大型強子對撞機的能量更高^[注六]， 而且那樣的轟擊自地球誕生以來， 在長達 45 億年的時間裡從未間斷過， 相當於每時每刻都有大型強子對撞機在運行。 如果大型強子對撞機果真有產生微型黑洞並毀滅地球的風險， 無論其理論機制是什麼， 那樣的風險都早該被宇宙射線轉化為現實了。 我們今天仍能坐在地球上爭論這一問題本身， 就很好地說明了那樣的風險並不存在。 事實上， 如果我們把眼光放得更遠一點， 那麼不僅地球每時每刻都受到大量超高能宇宙射線的轟擊， 表面積是地球一萬多倍的太陽更是一個大得多的靶子， 如果那樣的轟擊有危險的話， 象太陽那樣的龐然大物無疑會比地球死得更快。 因此， 包括太陽在內所有恆星的存在全都是極強的證據， 表明大型強子對撞機因產生微型黑洞而毀滅地球的風險是完全可以排除的^[注七]。

事實上， 大型強子對撞機若果真能產生微型黑洞的話， 那不但不是什麼風險， 反而是了不起的實驗成就， 因為那不僅是對某些現代物理理論的絕佳檢驗， 而且還是研究霍金輻射的最好、 甚至有可能是唯一的直接手段。

注釋

1. 更準確的說法是周長不到 18.6 公里 (3 公里 × 2π)， 因為那才是具有觀測意義的量。 但為行文方便起見， 我們仍將使用 「半徑」 這一術語， 只不過它的真正含義是周長除以 2π， 而非徑向距離。
2. 現代意義下的黑洞 (施瓦西黑洞只是其中最簡單的一種) 與米歇爾和拉普拉斯的 「暗星」 很不相同， 比如後者只是遠方的觀測者無法看到 (由於作為微粒的光在 「暗星」 引力場中仍可運動一段距離， 因此近處的觀測者仍可看到)， 而前者則對於任何外部觀測者都是 「黑」 的。
3. 愛因斯坦計算了黑洞附近圓軌道上的粒子運動速度， 結果發現軌道半徑小於黑洞臨界半徑的 1.5 倍時， 粒子運動速度會超過光速。 他據此認為黑洞是不可能存在的。 這一意見的幼稚之處在於， 那計算無非說明黑洞近旁不可能有圓軌道 (除非有外力)， 而並不表示黑洞無法存在。 這就好比在一個大漩渦里游泳者無法維持圓軌道， 並不表示大漩渦不可能存在。
4. 有人提出過比中子星更緻密的所謂 「夸克星」 (quark star)。 不過 「夸克星」 即便存在， 其密度也只會比中子星略大 (如果說中子星象一個巨型原子核， 那麼夸克星就象一個巨型核子)。 「夸克星」 是否存在目前尚有爭議， 不過理論研究顯示， 無論它存在與否， 都不太可能顯著改變耗盡核聚變能量後大質量天體坍縮為黑洞的臨界值。
5. 不過， 由於對中子星最大可能質量的計算以及對 「最年輕黑洞」 的質量估算都有一定的誤差， 因此該天體究竟是黑洞還是中子星目前尚有一定的爭議， 只能說它有較大的可能性是黑洞。
6. 這個能量是指質心系能量。
7. 嚴格講， 由高能宇宙射線產生的微型黑洞——如果有的話——與大型強子對撞機產生的微型黑洞有一個區別， 那就是前者是高速運動的， 從而會很快穿過地球。 但研究表明， 即便如此， 假如那樣的微型黑洞能夠被產生， 並且有毀滅星球的威力的話， 宇宙中那些高度緻密、 且具有強引力場的天體——比如白矮星和中子星——仍會因為俘獲那樣的黑洞而迅速滅亡， 這同樣與觀測明顯不符。

二零一零年十一月二十四日寫於紐約二零一零年十一月二十五日發表於本站http://www.changhai.org/

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