我們總以為吸納所有物質的黑洞核心——奇異點 永遠神秘地藏匿在黑洞裡,其實它也可能赤裸裸地呈現在我們眼前?
撰文╱約希(Pankaj S. Joshi)
翻譯/李沃龍

重點提要

■ 傳統看法認為大質量恆星最終會坍塌成黑洞,但有些理論模型卻預測那會形成所謂的「裸奇點」,這是天文物理上懸而未決的重要問題。
■ 裸奇點的發現會為物理學上的統一理論提供直接的觀測,對該理論的影響甚鉅。

現代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了,但其中最詭異的,莫過於大質量恆星到達其生命盡頭時所面臨的 命運。在燃燒了億萬年後,恆星的燃料耗盡,無法再支撐自身的重量,於是開始災難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恆星會在崩塌成較小體積時,再度穩定下來; 但若是質量更大的恆星,它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量,使得恆星從原本數百萬公里的大小,塌縮成比英文字母“ i ”上的一點還微小。

多數物理學家與天文學家認為這個結果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天 體。黑洞的核心是個奇異點(singularity),恆星上頭所有的物質都縮進了這個體積無限小的點,環繞在奇異點周邊的就是物質無從逃脫的空間,其邊 界稱為「事件視界」。任何物體一旦進入事件視界之內,就永遠無法離開這個區域,就連物體所發出的光也會陷落其中,因此外界的觀測者再也看不到它。墜入的物 體最終將撞毀在奇異點上。

然而這個描述是否真確?從已知的物理定律,我們清楚知道奇異點會形成,但不怎麼確定事件視界的存在。 大部份物理學家採行的假設是視界必須存在,只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。物理學家尚未完全釐清奇異點上究竟怎麼了:物質是被壓垮了,但變 成了什麼呢?事件視界將奇異點藏匿起來,也阻隔了我們對它的探索;奇異點上可能發生各種未知的事情,但對外界不產生任何效應。天文學家在描繪行星與恆星軌 道時,完全不必考慮奇異點的影響,因為不論在黑洞裡發生什麼事情,都只會留在黑洞裡。

但是,越來越多的研究質疑著這個一向被視為理所當然的假設。在許多關於恆星坍塌的學說中,事件視界並 未形成,因此奇異點其實就暴露在我們眼前,物理學家稱它為「裸奇點」,物質與輻射可墜入也可彈出這個區域,也就是說,以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟 有去無回的旅程,但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退,並敘述你此行的見聞。

假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在,在奇異點附近發生的神秘事情將會衝擊外在的世界。裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現象,並提供了一個探索時空最精細結構的實驗室。

不准偷看奇異點!

奇異點顯然是個神秘的東西,它們是重力強度無限大的地方,已知的物理定律在此完全失效。根據物理學家 目前對重力的理解,奇異點潛藏在愛因斯坦的廣義相對論裡,無可避免地會在巨大恆星崩塌的過程中產生。廣義相對論無法解釋主導著微觀世界的量子效應,而量子 效應必將介入恆星坍塌的過程,以防止重力強度真的變成無限大,但物理學家對發展出可用來解釋奇異點的量子重力理論,仍一籌莫展。

相較之下,要解釋在奇異點周圍發生的事情,似乎較為直接而容易。恆星的事件視界大小可達數公里,遠大於量子效應的尺度,假設沒有其他新的作用力介入,應可單純地用廣義相對論來解釋。廣義相對論所根據的是我們已經非常了解的原理,而且已通過了90年的觀測驗證。

雖然如此,要將理論套用到恆星坍塌的現象,仍是件艱鉅的工作。愛因斯坦的重力方程式是出了名的複雜, 物理學家必須做些簡化的假設才能順利解出。美國物理學家歐本海默(J. Robert Oppenheimer)與史奈德(Hartland S. Snyder)在1930年代末期首開先例,為了簡化方程式,他們只考慮完美的球狀恆星,並假設它們是由密度均勻的氣體所構成,且氣體壓力忽略不計。他們 發現當這類理想恆星坍塌時,表面的重力會持續增加,最終強大到足以圈捕住所有的光與物質,形成事件視界,恆星不再能被外界觀測者看到,之後更迅速塌縮成奇 異點。另外,印度物理學家達特(B. Datt)也獨立做出同樣的結果。

當然,真實的恆星複雜多了。它們的密度並不均勻,而且氣體會施加壓力,同時有各種形狀。是否每個質量 夠大的恆星都會變成黑洞呢?1969年,英國牛津大學的物理學家彭若斯(Roger Penrose)認為答案是肯定的。他推測在恆星坍塌時,需形成事件視界才能形成奇異點,由於總是被視界遮住,大自然並不允許我們窺看奇異點。彭若斯的猜 想被稱為宇宙審查假說,雖然只是個猜測,卻鞏固了現代黑洞研究。物理學家希望能夠以嚴謹的數學來證明這個假說,就像當初證明奇異點是不可避免的那樣。

創作者介紹

jcjin的心情筆記

jcjin 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()