黑洞、奇點、重力塌縮、時空扭曲、廣義相對論,你瞭解多少

這幾天,網絡上最火爆的照片無疑就是那組“史上首張黑洞照片”了。這組照片的公佈盡掃科學界過去對黑洞是否存在的質疑。當然,也讓“某覺”公司活了一把,愣是趁機大撈一筆。且不說這種恬不知恥的行為如何,今日筆者只說黑洞,相比之下,“某覺”比黑洞還要“黑”。轉回正題,跟大獅子一起看宇宙黑洞的最新定論。照片公開方“事件視界望遠鏡(EHT)”計劃研究員強調,黑洞照片證實了愛因斯坦“廣義相對論”的正確性。儘管天才物理學家的理論正確描述了空間、時間、物質及重力的關係,殊不知愛因斯坦當年也曾懷疑自己所提出的黑洞設想是否正確。

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“黑洞理論”源於廣義相對論的見解,但“黑洞”一詞並非由愛因斯坦所造。最早提出“黑洞”一詞的已故美國物理學家約翰·惠勒,他曾概述:“物質驅使時空扭曲,時空驅使物質按其扭曲移動。”假如一塊懸空的扁平橡膠板代表時空,人們在中央位置放上一個代表物質的保齡球,膠板自然會因承受保齡球的質量而扭曲,下墜到更加接近地面。扭曲的時空構成重力場,如此便簡潔說明了,時空是如何受物質扭曲。

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隨後,繼續於膠板周邊放置滾石,因為先前中央已有一顆保齡球,重力場令石的滾動軌跡發生變化:從外向彎曲下墜的中央繞轉。最初被物質改變了的時空,由此使影響了物質的移動。可見廣義相對論下,物質、時空關係密切,重力則調節彼此的相互作用。

粗略理解廣義相對論後,又如何延伸至黑洞理論?德國物理學家卡爾·史瓦西便提出一項假設:把一個密度無限的奇點放到板中央。他認為,在達到特定條件下,這個奇點理論上會穿越時空。天體物理學裡的奇點,可嚴重扭曲時空,即便是最快的光速,也不能從奇點產生的時空洞中逃逸。

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儘管數學上,奇點是一個有趣的數值解,但當時天體物理學界普遍反對“奇點”的假設,理由是現實中沒有已知機制可產生“奇點”。史瓦西一直堅持自己的看法,直至 1916 年去世,他的理論仍被忽視。

終於,印度裔天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡在1935 年找到奇點出現的機制。他提出,如果一顆巨大恆星耗盡自身燃料後,由於已不能平衡自身重力,物質便會向內塌陷,稱為“重力塌縮”,導致時空崩塌。他的發現,拉近了數學假設與科學可能性之間的差距,為日後證實奇點形成,提供背後理論。

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不過,由於這些概念在當時聽來過於激進,即使是愛因斯坦本人,對此亦帶有疑慮。他在 1939 年刊於“數學年鑑”的論文中,曾表示有關想法“沒有說服力”,而且這種現象在現實中並不存在。

及至 60 年代,兩位超級物理學家霍金及羅傑·彭羅斯終於證明,奇點在宇宙中並不罕見,是宇宙系統的一部分。當擁有巨大質量的恆星耗盡自身後,便自然演化成奇點。而愛因斯坦逝世 12 年後的 1967 年,惠勒在紐約一個學術會議期間提出“黑洞”一詞,描述此一恆星崩塌後的狀態。他又在 1999 年的自傳中寫道:“黑洞讓我們知道,像紙一樣的空間,能被揉成無限小的點。在那時候,時間就像吹熄的火焰一樣熄滅。以及我們自以為‘神聖不可變更的物理定律’,其實什麼都不是。”

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