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恆星吞食者

恆星吞食者

愛因斯坦認為黑洞的概念──也就是有一種塌縮恆星，其密度之大，讓光都無法逃逸──太過荒謬，不可能真實存在。

他錯了。

撰文：麥可・芬克爾 Michael Finkel

攝影：馬克・A・加利克 Mark A. Garlick

我們的恆星，也就是太陽，將會靜靜走向死亡。就恆星而論，太陽的質量不過一般，大約50億年後，當它將其最後的氫氣燃燒殆盡之時，外層將會散逸，核心則逐步聚縮，最後形成所謂的白矮星：一顆如地球般大小、餘燼未熄的宇宙星火。

如果換成質量為太陽十倍的恆星，死亡過程就會戲劇化得多。它的外層將會在一場超新星爆炸中拋散入太空。與此同時，恆星的核心受重力壓縮成中子星，成為直徑約20公里的旋轉球體。一塊如方糖大小的中子星碎片在地球上重達10億公噸；中子星的重力大到如果掉了一顆棉花糖在其表面，衝擊所產生的能量將相當於一顆原子彈爆炸的威力。

但是和質量是太陽二十幾倍的恆星垂死前的掙扎比起來，這根本不算什麼。就算在宇宙存在至今的每千分之一秒都引爆一顆與當年廣島原爆一樣的原子彈，規模仍然不及一顆巨大恆星崩潰的最後時刻所釋放的能量。這顆恆星的核心會向內塌縮，溫度達到攝氏550億度。它極其強大的引力一發不可收拾。比聖母峰還大的巨型鐵塊幾乎瞬間就被壓縮成沙粒。原子被分裂為電子、質子、中子。這些微小的碎片再分解成夸克、輕子和膠子。如此不斷重複，物質分解得愈來愈細，密度愈來愈大，直到……

直到最後會出現什麼，其實沒有人知道。在企圖解釋這個規模浩大的現象時，我們理解宇宙運作方式的兩個主要理論――廣義相對論和量子力學――都亂了套，就像飛機失速下墜時狂亂旋轉的儀錶指針。

這顆恆星變成了黑洞。

黑洞會成為宇宙中最黑暗的深淵，是因為逃離它的引力時需要無比的速度。要克服地球引力的掌握，你必須加速到每秒鐘大約11公里。這個速度很快，大約比子彈快六倍，不過人類建造的火箭早在1959年就達到了脫離地球軌道的速度。宇宙內的最高速度為每秒29萬9792公里，也就是光速。但即便是這個速度也不足以抵抗黑洞的引力。因此，任何進入黑洞裡的東西都無法逃逸，就算是一道光線也不例外。此外，超強引力產生的某些詭譎效應也讓我們無法窺見黑洞內部。黑洞是自外於宇宙的一個地方，區隔黑洞內外的界線稱為「視界」。不管是恆星、行星、還是人類，任何東西一旦越過了黑洞視界，便永遠回不來了。

愛因斯坦是物理學歷史上極富想像力的思想家，他卻從不相信黑洞的真實性。依照他的公式，黑洞是可能存在的，但他認為大自然不會容許這樣的東西存在。在他看來最違反自然的觀念是重力竟能壓過理應比它更強大的力量，如電磁力、核能，導致一顆巨大恆星的核心憑空消失在宇宙中，這儼然是宇宙版大衛魔術。

愛因斯坦不是唯一這樣想的人。20世紀上半的物理學者大多不接受有物體的密度可以大到能困住光線的說法。黑洞就和牙仙一樣，學者若相信它的存在，無異是葬送自己的專業生涯。

話雖如此，早在18世紀就有科學家曾經揣想過黑洞存在的可能性。英國哲學家約翰‧米契爾在1783年對倫敦英國皇家學會的報告中提到了這個想法。法國數學家皮耶－西蒙‧拉普拉斯在一本出版於1796年的書中預測了黑洞的存在。當時這些密度超高的奇異現象還不叫作「黑洞」，而是被稱為「凍星」、「暗星」、「塌星」或者以解出許多黑洞相關理論公式的德國天文學家命名的「史瓦西奇異點」。「黑洞」一詞於1967年首次出現，美國物理學家約翰‧惠勒在紐約哥倫比亞大學的一場演說中使用了這個名稱。

大約在這個時候，有關黑洞的思想發生了巨大的變化，主要是因為有了新的太空觀測方法。打從有人類開始，我們所能見到的範圍一直受限於可見光，但是X光和無線電波望遠鏡在1960年代開始廣為使用，天文學家得以收集波長足以穿透星際塵埃的光線，就像看醫院的X光片一樣，能夠看到星系的內部構造。令人吃驚的是，科學家發現大多數星系的中心（宇宙中的星系超過1000億個）都有一個由大量恆星、氣體與塵埃組成的團塊。在幾乎每個觀察過的星系中（包括我們的銀河系），這混沌團塊的最中央都有個質量超大且密度超高的物體，它的引力大得驚人，不管用何種方式測量，可能的解釋都只有一種：這是個黑洞。

這些洞龐大無比。銀河系中央的這一個，質量大約是太陽的430萬倍。鄰近的仙女座星系中的黑洞，質量則高達太陽的1億倍。其他星系推測擁有質量為太陽10億倍的黑洞，有些甚至可能有質量為太陽百億倍的龐然大物。這些黑洞並不是在剛形成時就這麼大。它們和我們一樣，每「吃一餐」就增加一些重量。

物理學家只不過經歷一個世代轉換，黑洞的存在就從原來由數學歸納出來、近乎笑話的荒謬結論，轉變成廣為接受的事實。原來，黑洞極其普遍，宇宙中很可能存在數以兆計的黑洞。

從來沒有人看過黑洞，而且永遠不會有人看到，實際上也沒有任何東西可看。它只是太空中的一點空無，就像物理學家所說――空空如也。「洞」的存在是根據它對周圍事物產生的效應而推論出來的。

如果你問專家對黑洞的真實性有多大把握，他們的答案幾乎總是：99%；如果大多數星系的中央沒有黑洞，那麼必然存在著比黑洞還要難以想像的東西。不過，所有的疑慮可能都將在幾個月後消除一空，因為天文學家打算偷看其中一個黑洞的吃相。

銀河系中央的黑洞距離我們2萬6000光年，名叫人馬座A*（英文Sagittarius A*，標準縮寫為Sgr A*，後面的A*讀作A-star，即A-星號），它目前平靜穩定，是個挑嘴的黑洞。其他星系則含有能夠撕裂恆星、吞噬行星的怪獸級黑洞，稱作「類星體」。

不過，人馬座A*已經準備大吃一頓了。它正以每秒大約3000公里的速率將一團名叫G2的氣體雲拉向它。可能不到一年內，G2便會接近這個黑洞的視界。屆時，全世界的無線電波望遠鏡都會聚焦在人馬座A*身上，科學家也期待藉由全球同步觀測、等於以整個地球為天文台的「視界望遠鏡」，可以捕捉到黑洞運作中的影像。我們看到的不會是黑洞本身，而是可能會看到「吸積盤」，也就是圍繞在黑洞邊緣的一圈碎屑，相當於飽餐一頓後留在桌面上的殘渣。這應該足以消除許多關於黑洞是否存在的疑問。

這不僅能證明黑洞存在，或許還能幫助我們了解宇宙的構造。衝向黑洞的物質會產生大量的摩擦熱。就像你從爬竿上滑下來時，手心會發熱，物質滑向黑洞時也一樣。此外，黑洞就像太空中深邃的漩渦一樣，會旋轉。而摩擦力與旋轉結合，導致落向黑洞的大量物質（有時候超過90%）不但沒有越過視界，反而被向外拋擲，就像從砂輪機噴濺而出的火花。

這些高溫物質被引入疾速穿越太空的噴流，以驚人的速度脫離黑洞，這個速度通常只比光速稍低。這些噴流可延展達數百萬光年，穿越整個星系。換言之，黑洞會劇烈擾動星系中央的高齡恆星，並將過程中產生的滾燙氣體送到星系外部。這些氣體冷卻、凝聚，最終形成新的恆星，像青春之泉般讓整個星系不斷更新。

有兩個關於黑洞的觀念必須加以澄清。黑洞的吸力並不比一顆普通恆星來得大，只不過以它的大小來說，它的引力顯得特別強大。如果我們的太陽突然變成一個黑洞――不會真的這樣，但我們假裝一下――它的質量不會改變，但是直徑會從約139萬2000公里縮減為不到6.5公里。地球會變得黑暗寒冷，但是圍繞太陽公轉的軌道不會改變。成為黑洞的太陽對地球所產生的引力與原來完整大小的太陽相同。

所以，黑洞不會將我們吸進去。簡單明瞭。接下來要談的觀念，也就是時間，可就要讓我們絞盡腦汁了。時間和黑洞之間存在著很奇妙的關係。我們暫時先別去想黑洞，其實時間本身是個很不尋常的概念。你可能聽過「時間是相對的」這句話，意思是時間的流逝速度對每個人而言都不一樣。一如愛因斯坦的發現，時間受到重力影響。如果在一座摩天大樓的每個樓層各放置一個極精準的時鐘，它們會以不同的速率走動。在低樓層的時鐘離地心較近、所受重力較強，會走得比高樓層的時鐘稍慢。你從來沒注意到這一點，是因為那些差異極度微小，大概偶爾差個十億分之一秒。全球定位系統衛星上的時鐘必須設定成走得比地表上的時鐘慢一點。如果不這樣做的話，全球定位系統就不準確了。

引力驚人的黑洞基本上就是時光機。搭上火箭，飛到人馬座A*。小心地來到非常接近視界的地方，但不要飛過去。你在那裡每待上一分鐘，在地球上就過了1000年。聽起來難以置信，但事實就是如此。重力勝過時間。

如果你越過了視界，會怎麼樣？從外頭旁觀的人不會看到你掉進去，而是看到你像在黑洞邊緣定格了一樣。永無止盡地一直定格下去。

但是嚴格說來，並非永無止盡。沒有任何東西是永恆的，就連黑洞也不例外。英國物理學家史蒂芬‧霍金證明黑洞有滲漏現象，它的滲漏物稱作「霍金輻射」。如果時間足夠，黑洞會完全蒸發。不過所需要的時間長達幾兆又幾兆又幾兆年。長到在遙遠的未來，我們的宇宙可能只剩下黑洞。

旁觀者永遠不會看到你掉進黑洞的樣子，但進入黑洞後的你會發生什麼事？人馬座A*很大，大到它的視界離中心大約有1300萬公里。物理學界對於越過視界那一刻會發生什麼事還沒有定論。那裡可能存在一堵所謂的「火牆」，你一抵達視界，就會立刻燒成灰燼。

然而，廣義相對論預測在越過視界時會發生另一種現象：什麼事都沒有。你只是通過那裡，完全沒有意識到自己從此與宇宙的其他地方斷了線。你沒事。你腕上的錶滴答如常。經常有人說黑洞無限深遠，但這不是真的。黑洞有底，但你沒辦法活著看到它。重力會隨著你的墜落而愈來愈強。如果你頭上腳下墜入黑洞，腳底的拉力會遠大於頭上的拉力，導致你不斷被拉長，直到被撕裂。物理學家稱這個現象為「麵條化」。

你身體的碎塊會抵達底部。黑洞的中心是個稱為「奇異點」的謎樣玩意兒。揭開奇異點的奧祕將會是史上最重大的科學突破之一。要做到這點，首先必須創立能超越愛因斯坦廣義相對論的新學說，而且還要超越量子力學。前者解釋星體及星系的運行，後者預測微觀粒子發生的種種現象。兩種學說都很接近真實狀況，但在黑洞內部這樣的極端情境下都不適用。

科學家想像中的奇異點極度微小。比微小還要更小：就算把奇異點放大好幾兆的好幾兆倍，世界上最強大的顯微鏡還是無法看到它。但那裡確實有東西存在，至少在數學概念中如此。而且它不只是小，還重得無法想像。絕大多數的物理學者都說，是的，黑洞的確存在，但它們完全無法穿透。我們永遠不會知道奇異點裡面是什麼樣子。

然而，少數離經叛道的思想家卻有不同意見。近年來，有愈來愈多理論物理學者相信我們的宇宙並非一切。反之，我們住在所謂的「多重宇宙」中。多重宇宙是多個宇宙的集合，把實相當成一塊瑞士乳酪，每個宇宙就像乳酪上的一個孔洞。這一切仍帶有強烈的理論臆測成分，但是要創造一個新的宇宙，有可能需要先從既有的宇宙取出一堆物質，將其壓實，再加以封存。

聽起來是不是很耳熟？畢竟，我們至少知道某個奇異點的故事。138億年前，我們的宇宙從一場巨大的爆炸中誕生。在大爆炸發生前一刻，所有東西都塞進了一個極微小且密度極高的微粒中，也就是一個奇異點。也許多重宇宙的運作和橡樹一樣，每隔一段時間就有一顆橡實落下，掉到理想的土壤中，迅速發芽。奇異點也是這樣，它是新宇宙的種子。而就和橡樹幼苗一樣，我們不可能寄感謝函給我們的母親。因為訊息要離開我們所住的這個宇宙，移動的速度必須比光速還快才行。這聽起來是不是也很耳熟呢？

黑洞裡面可能是什麼樣子，有令人信服的具體證據。你向左看看、向右看看、擰自己一下。某個黑洞可能來自另一個宇宙，但我們可能就住在裡面。

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