爬不出黑洞之迷

要不是有天體物理學(astrophysics)，我們的詞彙裡就生了「黑洞」(blackhole)這個重要的名詞了。東西搞去了？我們說它是掉到黑洞去了。車鑰匙在哪裡？一定是被黑洞吸進去了。「黑洞」就是個會將路過的一切吞人腹中的東西，在太空中的黑洞不也是如此嗎？

這個敘述與事實相差不遠。黑洞[第一個使用這個詞的人是物理學家惠勒(John Wheeler)]是個引力強到任何東西都逃不出其掌握，連光線亦不例外的外太空天體。恆星崩潰、收縮，變得看不見之後就成為黑洞。怎麼會這樣呢？關鍵在於重力。

物體的重力取決於質量。此外，我們與該物體，不管是個行星，恆星或是棒球，離得越近，重力就越大。

為了說明起見，先想像自己是個兩百磅重的人。當站在地表上時，約離地心也就是重力的來源——四千哩。假設能架設一具四千哩高的梯子，那麼當爬到梯頂時，離地心的距離就比在地表時多了一倍(八十哩)，因此重量就減輕了，只剩下在地表時的四分之一，也就是五十磅。

換個方式試試又如何？一樣站在離地心兩倍距離之處，但這次不架梯子，而是將地球脹大一倍：把地球上所有原子之間的距離拉長一倍，不加入任何其他物質，只是把原有的物質均勻分佈，使地球的尺寸成為兩倍。

這一來會怎麼樣？此時地面離地心是八十哩，而往地面的浴室內的磅秤一站，依舊是五十磅。

重力的這個特性在相反的方向上仍然為真。如果能將地球縮為原來尺寸的一半，我們在地表上的體重就會比原來重四倍，也就是八百磅。再把地球縮得更小一些，小到只有原來尺寸的十分之一，那麼站在地面時的體重便高達十噸！

很明顯地，物體只要能壓縮得很小，就能產生很強的重力。而如果該物體的質量本來就很大，壓縮後它的重量可能會大到無法想像。

假想有個質量非常大的物體(像我們的太陽那樣)，然後將它擠壓到直徑只有幾英哩，結果會怎麼樣呢？恆星原來的質量都還在，所以重力的拉扯力會很大，但由於這些質量被壓縮到離物體的中心更近的地方，所以重力會變得更強大——比原來高出五百億倍:好啦，如果這個物體質量夠大的話，是沒有東西可以抵抗得了其重力的引力的，別說是伙箭，連光都逃不出去。這就是黑洞——說「黑」，是因為我們看不到：說「洞」，是因為它貪婪地以重力將一切物質吸進去。

我們很難去想像或思考黑洞的情形。因為根據相對論，像黑洞這樣強大的重力會影響時空的。愛因斯坦的一般相對論說重力會使空間扭曲。一個在開放空間中以直線軌道運行的物體在接近行星、恆星，或任何重力夠強大的物體時，軌道會變得彎曲。如果是經過黑洞旁邊的話，由於黑洞重力的拉扯力強之又強，空間不只是被輕微彎曲，而是直接彎進黑洞的中心去了。任何接近黑洞的物體都會被捲進漏斗中，一路「滾」進漏斗底下的黑洞中(左圖)。

重力對時間亦有重大的影響。若把時鐘放在重力微弱的地方(例如地球)是很難(但仍可以辦到)測出重力對時間的影響的。但若把時鐘放在重力強大，如黑洞之處，則立刻可見到重力對時間產生的影響，至於影響之大小又依觀察者位置之不同而有不同。對於掉入黑洞中的太空旅行者而言，重力增大會使他對事物的認知加快;他會覺得他被黑洞吸了進去，一下子就到了「底」。但對位於遠方，不受黑洞影響的觀察者而言，看到的情形與此恰好相反。在他們的眼中，那位不幸的太空人似乎動得很慢，而且好像越接近黑洞，就移動得越緩慢。原因是，根據相對論的預測，黑洞的強大重力會使時間延緩下來，所以那個太空人似乎永遠都還沒掉落到底。在最底下的地方——所有的質量和能量都被濃縮為極小的點——空間消失了，時間也停止了。黑洞內應用於外界的一切物理定律都宣告終止，因此我們無從得知黑洞裡到底是何種光景。

黑洞的形成

一個光亮的恆星為什麼會變成黑洞？答案是恆星衰老了。恆星的成份多為氫氣，也就是讓興登堡號(Hindenburg)這樣的飛船飄浮不墜的輕質物質。氫就是讓恆星發光的燃料。每個恆星的內部都在進行核融合反應，有點像連續引暴氫彈那樣，將氫氣轉化為能量：光與熱。恆星在「燃燒」氫氣時，必得面對一場拉鋸戰：一方面恆星 內部的熱壓力會促使恆星擴張，就像把氣球吹大那樣：另一方面，恆星本身重力的拉扯力又促使恆星縮回來。因此恆星在發熱時，這場拉鋸戰是陷於膠著狀態的，恆星的大小也不會起變化。但一旦核反應停止，恆星就得對重力讓步，因而整個崩潰下來，就像氣球洩了氣一樣。

不過恆星年紀一大就開始變冷。由於沒有了熱能，這個老邁的龐然大物無法產生足夠的內部壓力以抵抗重力的收縮，因此開始崩潰並縮小。但恆星雖然在縮小，卻沒有損失任何物質;氫仍舊在，只是被極力壓縮而已。這意味著恆星所有的質量都向中心趨進許多，也就是將重力集中於一個小地方。小型的恆星會縮小成所謂的「白矮星」，與地球大小相當，但已停止核融合的恆星。較大的恆星則在一抹耀眼的華光，所謂的「超新星」暴诈中自我毀滅殆盡，原來的質量幾乎被轟得一點不剩。

但如果恆星的剩餘質量夠大(約達我們的太陽質量的一點四倍)那麼這些僅存的物質可能會變成黑洞。以右圖為例，這個恆星被壓縮到直徑只有一英哩。此時表面上的重力強得連它自己的光都無法逃脫。那個天體還在原地，再也看不到它了。任何接近它的物體都會被吸進去，然後消逝在「黑洞」中。

天文學家在研究獵犬星座時，發現NGC四一五一號螺旋狀銀河的中心是個巨大無比的黑洞，其質量是太陽的一億倍。黑洞是非常神秘的，而且因為我們無法真正看到黑洞的存在，所以也非常難以確知是不是正盯著黑洞看，或者黑洞是否真正存在。這使得發現黑洞這件事變得議論紛紛。但是天文學家相信黑洞可能存在於銀河的中心，也許我們所居銀河系的中心就是黑洞。我們的宇宙邊緣羅列著閃亮的準星。天文學家根據現有的最好理論去推想，認為推動這些準星所需的龐大力量可能來自於本身中心的黑洞。如何知道找到黑洞了？如果發現質量比太陽大許多倍且無法得見的物體，就有可能是黑洞。黑洞雖不讓人得見，但由於它的強大重力會影響其他行經附近的天體，因此我們仍可得知或猜測黑洞就在哪裡。例如，高熱的天體被黑洞吸進去時會發出x光射線，而這種x光射線是可以偵測得出來的。

即使如此，有件事確是可以肯定的，那就是我們毋需憂慮隨時會掉進黑洞裡面去。也許在電影或小說裡看到黑洞噬物的可怕景象，但黑洞並非宇宙中的世界末日吸塵器。黑洞不會亂跑，也不會把每件物體，不管是恆星、還是銀河、行星，還是我們通通吸進去。事實上，只要離黑洞稍遠一點，它的影響力便不足為懼了。地球如果縮小到只有一個高爾夫球那麼小，就會變成黑洞。但是這個「地球黑洞」的引力之拉扯力仍和今天的地球一樣。除非近得離這個「高爾夫球」只有一英吋，否則是不會被吸進去的：在這個距離，空間彎曲得非常厲害，所以無法逃脫。但太空船若停在留高爾夫球四千哩的地方(也就是地心到地表的距離)，那麼我們只會感受到如同平時一樣的溫和拉力。

你可能不知道

恆星之所以能縮為黑洞，是因為物質內有許多空間。按比例而言，電子和原子核之間，以及原子之間的距離，比我們的太陽系內各行星問的距離還要大，一百零二層的帝國大廈是由眾多原子所構成的，要是這些原子密密相接，沒有空隙，帝國大廈會縮到只有一根牙籤那麼大，但重量還是不變。