結帳
購物車有 0 項商品,共 0
天下文化首頁 主題 科學自然 被吸進黑洞後還能脫身嗎?黑洞並不是永恆監獄,不要放棄,一定會有出路
科學自然

發表日期

2021.12.01
收藏文章 0

文章摘錄自

蘇格拉底說「我知道我一無所知」但我們並沒有讓無知限制了我們的想像「我們窺探宇宙,在距離我們五千萬光年...
定價 500
優惠價 85折,425
$500 85$425
天下文化Line友

被吸進黑洞後還能脫身嗎?黑洞並不是永恆監獄,不要放棄,一定會有出路


被吸進黑洞後還能脫身嗎?黑洞並不是永恆監獄,不要放棄,一定會有出路_img_1
圖片來源:GPA Photo Archive

霍金輻射

整個科學領域中最具開創性的理論,或許要算是量子理論和愛因斯坦的相對論了。兩者描述世界的方式都至為根本。然而,若想要把兩者結合,就得踏出我們的心智邊界。在所有天體中,就屬黑洞最能把這份難解衝突赤裸裸的呈現在我們眼前。

廣義相對論描述的是大中之大,也就是時-空。我們的生命開始於時-空,也終結於時-空;宇宙間各種戲碼也都在時-空之中上演,它是呈現出我們宇宙發展的劇場。在時-空中,每樣東西都有自己的位置。然而,如果回想一下那張有彈性的床單,就會想起這個劇場的舞台不是靜止的,有彈性的背景會一同演出,隨著演員而有所反應與改變。黑洞是這個宇宙舞台上最離經叛道的演員,不僅會撕破布景,還為我們帶來深刻的疑問。

每樣東西都占有時間和空間?真的是這樣嗎?不是!因為我們還有第二個同樣根本的理論:量子理論。相對論描述的是非常大的尺度,量子理論則告訴我們小中之小,也就是組成物質的東西,如分子、原子、基本粒子。儘管如此,讓時-空變得可以測量的,是光的組成單元,也就是光子。這些光量子把時-空從抽象數學描述的黑暗中拉出來,進入可以覺察的明亮現實中。然後相對論和量子力學便在這裡相遇了。

和愛因斯坦相對論不同的是,量子力學中,並不是每樣東西都有自己的時間或位置。在一小段時間裡,事情可以往前進也可以往後退。只要沒有人觀察,粒子可以同時存在於兩個地方或更多地方。量子理論在最極端的情況下打開了一個微觀世界,看起來就與巨觀世界中的黑洞邊緣一樣陌生而奇怪。儘管如此,兩種理論都成了我們日常生活的一部分,而且並肩工作相安無事,例如智慧型手機裡就是如此。我們手機裡的每個晶片、每個半導體都應用了量子力學。沒有量子力學就沒有網路也沒有電腦處理器。然而與此同時,我們手機上用來指引方向的導航系統,則是運用了廣義相對論的結果。

在黑洞邊緣,這兩個理論以非常根本的方式相互撞擊。這裡想必有種全新的物理學在作用。許多年來,地球上成千上萬最聰明的科學家想破了頭,試圖搞清楚這種物理學是什麼樣子,至今仍沒有明顯的成功。

這問題到目前為止只存在於純理論的世界。事情可以追溯到著名天文物理學家霍金(Stephen Hawking),他思考著量子粒子在事件視界會發生什麼事。

量子物體是物理學上已知最小的惡棍。擁有無限智慧的上帝放任它們做出我們連做夢都想不到的事。例如它們可以不經允許暫時「借用」一點能量。這其中的竅門是,它們必須在還沒有人注意到的極短時間內把能量還回去。

基本上,我們可以把空無一物的空間想像為巨大而漂滿泡沫的海洋。水花和霧氣一次次飛濺到半空中,再落回海裡。海與空氣的界線變得模糊。在接近海面的地方,即使還未下水游泳,也會感覺濕濕的。

同樣的,微小粒子出現在空蕩蕩的空間中,然後再度消失。於是這個空間不再空蕩蕩,而充滿了粒子之霧。但是要從空無一物中創造出粒子,自然需要能量。能量哪裡來?在海上,製造水滴的能量來自風,但在什麼都沒有的空間裡可沒有風。因此大自然用了簡單的作帳技巧:利用虛光量子暫時借用一點能量。這種方式可以產生一對量子,它們是完全相反的雙胞胎,也就是一個粒子和它的反粒子;打個比方來說,就像是一個迷你天使和一個迷你惡魔。其中一個帶正電,另一個帶負電。如果一個向左旋轉,另一個就向右旋轉。如果一個是物質,另一個就是反物質。回到大海的比喻,這粒子就像是空中的一顆水珠,反粒子就像是海中的一顆氣泡。

如果兩者再次相遇,雙方的性質就會彼此抵消,物質和反物質互相摧毀,在發出一道能量的虛擬火花後,瞬間消逝於時-空之海,不留一絲痕跡。於是能量債務償清,沒有人會提出抱怨。

但這也像是金融危機。如果沒人注意,而且債務一直得到償還,這種騙局便可以持續下去。但當天氣變壞時,事情就會開始走樣。海面上的水滴被吹到港口,噴灑到陸上。路上的人被噴濕,海中的水蒙受損失。只不過,以這種方式幾乎永遠吹不完海水,而且河川和降雨也會帶來補充。

根據霍金的看法,同樣的過程也發生在黑洞邊緣。在時-空之海中,事件視界就是海岸,黑洞就是風暴;而相當於風能的,則是重力能。

霍金在他的公開演講中描述的過程大致如下:在黑洞邊緣,雙生的粒子和反粒子從強大的重力場借用能量而製造出來。在這一對粒子重逢之前,其中一個就消失於事件視界之後。存活的另一個粒子再也無法與它的反粒子合一,逃逸到廣大的太空中。原本應是暫時存在的一對粒子忽然變成單一粒子留存下來。

然而,原本應該要為這個粒子償還的能量債卻沒有還回去,交易變成一筆損失。黑洞借出兩個粒子,只拿回一個,結果損失了能量和質量。這就像是有道粒子噴霧一直從黑洞飛走,有如在岸邊感到海水的細小水花不斷迎面而來。因此黑洞看起來一直在發出輻射。這種輻射稱為霍金輻射,由霍金在1975年首次描述。

不過,霍金對粒子與反粒子的描述有點簡化,因為他主要的目的是解釋量子理論的計算方式。實際上,最後發射出來的並不是粒子,而是光子,也就是光,而且波長比黑洞本身還要大。輻射也不是直接從事件視界發射的,而是圍繞著黑洞的較大區域。因此整個情況看起來就像是重力場在發出輻射一樣。

在正式的說法中,也可以把黑洞發射的輻射描述為熱輻射。熱咖啡經過一段時間會變涼,就算加上蓋子、不讓水氣逸失也一樣,這是因為杯子會發出熱輻射。杯子表面的原子會因為熱而開始稍微振動,振動之時便會輻射出量子光粒子。德國物理學家普朗克在1900年發現這種輻射的性質,為量子理論奠定了基礎,並與熱力學連結:無論材質和形狀,所有不透明的黑色物體在加熱時都會發出輻射。

所以,熱咖啡就展現了量子物理學,它發出的主要是近紅外光。咖啡因此失去能量並逐漸變涼。熱像儀可以看到這種光,我們的眼睛不行,但我們的手在接觸到杯子之前就可以感受到這種輻射。可以說,我們藉著看不見的光,可以感覺到杯子內的量子振動。

熱輻射的數學式只依溫度而定:溫度愈高,光的頻率也愈高。所以鐵加熱時會先以看不見的近紅外光譜範圍發光,然後變成看得見的紅色,再變成黃色,再變成白色——顏色的改變代表頻率愈來愈高。有些恆星甚至可以發出帶藍色的光,因為它們比熔化的鋼鐵還要熱。

至少在理論上,發出霍金輻射的黑洞可以給出同樣的輻射。因此,黑洞依照自身的質量,也可以有不同的溫度。愈小的黑洞愈熱。根據霍金的理論,質量約等於月球5%質量的黑洞,大約和一杯剛煮出來的黑咖啡一樣熱,散發的輻射量也差不多——儘管嚐起來應該天差地遠。

由於霍金輻射,黑洞會損失能量,也一起損失質量,正如愛因斯坦最著名的公式所說,質量最終也是能量。不過黑洞與咖啡不同,咖啡變涼是因為放著不管時發生的熱輻熱,黑洞卻會因為釋放的輻射而變得更熱!當黑洞變得愈小,溫度就愈高,發出輻射的效率也愈高。到了某種程度,黑洞爆炸,釋放近乎無限的熱,就此終結。這可以解釋小黑洞為什麼似乎不存在於大自然中。相當於兩具柴油機車質量,合計160噸的黑洞,會在一秒之內就輻射至消失。

對天文物理黑洞而言則不同。質量相當於小行星伊卡洛斯(Icarus),約1億噸重的黑洞,可以存活的時間約和宇宙一樣長。質量與太陽相當的黑洞壽命可達1067年,而M87*則是難以想像的1097年。

我試著把這時間具象化,但實在辦不到。假設把整個已知宇宙(包括太空中所有的恆星、行星和星雲)的質量集合在一起,變成質量的大海。然後,每隔一百億年,也就是大約我們宇宙的歲數,從這片物質之海中撈出一顆超級小的質子,如此重複直到取完所有的質子——那麼宇宙消失的時間,仍比M87*因為霍金輻射而消失的時間快一千萬倍。

還有,在黑洞完全消失之前,宇宙必須先完全死盡、變成空虛又黑暗,因為宇宙中每個氣體粒子和每道光波都可以讓黑洞繼續成長。在比我們可以想像的時間還要久得多的時間中,諸如M87*這樣的超大質量黑洞只可能變得更大。M87*的霍金輻射實在是太微弱了,不太可能建造出足以找到霍金輻射的偵測器,就算窮盡我們宇宙的壽限、就算我們能飛到M87*都不行。

儘管如此,從純理論的立場而言,黑洞確實可能消散,而且所有曾困在裡面的東西也可能釋放出來。永恆的事物並不存在,黑洞也是如此

計算霍金輻射時,視線視界的存在是關鍵,但如果霍金輻射實際上是重力場的放射性衰變,那麼我可以想像:中子星或甚至一般物質最終也可能以類似的過程衰變,而且所有重力場最終也會變成光而消散。不過,這目前仍純粹是推想。

太初有光,而宇宙最後僅存的也可能是光——除非在宇宙終結之前,又發生了某種新鮮刺激的事。

在我們揭曉黑洞影像的記者會最後,歐盟執委會委員莫伊達斯引用了霍金的話:「黑洞不像描繪中那麼黑。黑洞不是我們想像中的永恆監獄。東西可以從黑洞裡出來,包括釋放到黑洞外面,或是跑到另一個宇宙。因此,如果你覺得自己在黑洞中,不要放棄,一定會有出路。」

對一場重要記者會來說,這是一段充滿鼓勵的結語。然而,如果繼續跟隨霍金的思路,黑洞在我們經歷了地獄後,真的會給予重生的機會嗎?黑洞真的只是通往真實覺悟道路上暫時的煉獄狀態嗎?

別被這種虛假的希望所誤導。如果我死後火化,然後來了一場颶風,把剩下的骨灰和煙塵掃在一塊兒,從中又生出一個我——這樣的機會遠大於我被黑洞吞噬後還能回來的機會。

不過,理論物理學家不會滿足於這種實際上的不可能性。只要理論上有一點可能,他們就不會乖乖安分聽命。

【書籍資訊】
《解密黑洞與人類未來》
被吸進黑洞後還能脫身嗎?黑洞並不是永恆監獄,不要放棄,一定會有出路_img_2
出版日期:2021.11.30