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解讀黑洞的前世今生,我們可以穿越黑洞進行時空旅行嗎?

2024-10-23科學

每當我們把目光投向幽深的夜空,總會被那位優雅的「夜之女士」所吸引。無數星辰在閃爍著它們調皮的眼睛,圍繞著一輪皎潔的月亮,場面寧靜而美好。然而,在我們肉眼所能觸及的遠方,潛伏著無數「宇宙巨獸」,它們貪婪地吞噬著一切,包括光線,而這些龐然大物,正是黑洞。

如同人類一樣,恒星也有著從誕生到死亡的生命歷程,只不過它們能延續數百億年。而黑洞,就是巨大恒星走向終點的產物。

科學家們認為,恒星的形成源自宇宙中的星雲。以球體為喻,星際雲可能橫跨100光年之遠,質素或許是太陽的600萬倍,充滿了氫和氦等元素。由於物質分布不均,在重力作用下,物質會匯聚成團,密度和壓強都會隨之增加。根據角動量守恒定律,物質在聚集中可能產生旋轉。隨著旋轉速度加快,中心部份熱量積累,溫度隨之上升。一旦溫度達標,氫聚變為氦,從而誕生一顆恒星,我們稱之為原恒星。

原恒星的質素決定了恒星的類別。我們以太陽質素為衡量標準:

如果原恒星質素不到太陽的0.08倍,它將因質素太小而不能啟動氫聚變,未能形成恒星,如同未成熟的胎兒,科學家稱之為褐矮星或棕矮星。

如果原恒星質素在0.08到0.5倍太陽質素之間,由於質素較小,其發光顏色偏紅,被歸為紅矮星。紅矮星壽命漫長,能持續幾百億年。

在0.5到8倍太陽質素之間的原恒星,發出的光呈黃色或黃白色,被歸為黃矮星。太陽即為此類,壽命大約100億年。

如果質素超過或等於8倍太陽質素,發出的光偏藍,我們稱之為藍色大恒星。如90年代科學家透過哈勃望遠鏡發現的藍色大恒星——手槍星,質素是太陽的100到150倍,壽命卻只有300萬年。

自誕生起,恒星核心便進行著核聚變,發出光並釋放能量。恒星質素不同,核聚變的程度也不同。例如紅矮星只能將氫聚變為氦,而質素更大的黃矮星可進一步將氦聚變為碳,藍色大恒星能將碳繼續聚變,直至形成鐵。我們知道,核聚變釋放巨大能量,但為何恒星未因之爆炸?答案在於重力與聚變的平衡:重力使得恒星內部的核聚變保持在可控狀態,質素越大的恒星,重力越強。

隨著能量的釋放,恒星質素減少,重力減弱。最終,核聚變失去重力控制,變得劇烈,恒星步入「晚年」。

黃矮星在晚年期,核聚變失控,半徑增大,如膨脹的氣球,變成紅巨星。例如太陽進入紅巨星階段時,其半徑將增加至現在的100倍,地球將被熔化。人類若想生存,必須遷移到其他星球或將地球移至更遠處,這正是劉慈欣【流浪地球】中的情節。

紅巨星演變成白矮星,密度極高,如同把太陽壓縮至地球大小。白矮星的能量耗盡後,將轉變為黑矮星。據估計,從白矮星到黑矮星的演變極其漫長,可能需要數千億年,這也是至今未發現黑矮星的原因。

不同質素的恒星,生命歷程各異。紅矮星會直接演變為白矮星,不經過紅巨星階段;藍色大恒星則成為紅超巨星。

紅超巨星也有內核收縮、物質外拋的過程,與紅巨星過渡為白矮星類似,但核聚變的復雜程度和物質拋灑方式有別。紅超巨星最外層是氫聚變,內層可能是氦聚變,核心則是鐵。收縮過程中,外層物質會向外噴發,形成超新星爆發,中心形成密度超過白矮星的中子星。中子星質素若超過太陽質素的3倍,重力作用將無止境地使其收縮,直至形成一個密度無限大、體積無限小的天體,其超高質素產生的重力扭曲時空,任何靠近的物質都會被吸入,光也無法逃脫,於是黑洞誕生。

實際上,在人類目睹黑洞之前,科學家已透過理論推斷黑洞的存在。

1916年,愛因斯坦提出廣義相對論,卡爾·史瓦西同年透過求解重力場方程式,發現了可能存在這樣一種天體,它周圍的時空「視界」,一旦跨越,便無法逃離,即使是光。美國物理學家約翰·阿茲波特·惠勒將這種天體命名為「黑洞」。史蒂芬·霍金對黑洞的進一步研究,使我們得以了解這種神秘天體。

關於人類是否能透過黑洞實作時空穿越,我們必須先了解黑洞的物理特性。

首先,黑洞質素極大,重力強大到連光都無法逃脫。其次,黑洞可導致時空彎曲。黑洞周圍存在「視界」,光在視界外有機會逃離,一旦進入視界,則被吸入黑洞。如果一人A在視界外朝視界運動,遠處的觀察者B會看到A越來越慢,直至靜止,這是重力引起的時空彎曲。在黑洞中心,時間會變得非常慢。

如果A穿越到黑洞中心,劇烈的時空彎曲會導致時空互換。在我們生活的世界,時間是單向的,不能回到過去;空間是雙向的,我們可以前後移動。但在黑洞中心,時間是雙向的,空間是單向的,意味著A可以回到過去,但空間上只能走向中心的「奇異點」。最終,A在進入中心前,會被重力撕裂而死。

透過黑洞穿越時空,這在理論上是可能的,但以目前的科技,人類無法抵禦巨大重力,安全將人送到黑洞中心。我們對黑洞的認知僅是冰山一角,直到2019年才得到黑洞的第一張照片。霍金先生在2018年去世,未能親眼目睹這張具有歷史意義的照片。然而,我相信未來將會有更多像史蒂芬·霍金這樣的科學家,帶領我們探索宇宙的奧秘。