如果一顆 恆星變得如此之大，以至光線也不能逃離，將會發生什麼

1783年，英國天文學家約翰?米歇爾（john Michell)第一個想到：如果一顆 恆星變得如此之大，以至光線也不能逃離，將會發生什麼。我們知道任何物體有 一個「逃逸速度」，即克服它的重力引力的速度。（例如，對於地球來說，逃逸速 度是每小時25 000英裡〔40 233.6千米〕，為了掙脫地球的重力，任何火箭必須 達到這個速度。）

米歇爾（Michell)想:如果一顆星星的品質變得非常大，以至它的逃逸速度 等於光速會發生什麼。如果重力是如此巨大，什麼也跑不出去，連光也跑不出 去，因此這個物體從外部世界看是黑的。因為它是看不見的，所以要想在太空中 找到這樣一個物體從某種意義來說是不可能的。

米歇爾（Michell)的「黑星」問題被遺忘了一個半世紀。但是在1916年它又 重新浮上水面，一位在德國軍隊服務、在俄羅斯前線作戰的德國物理學家，卡爾? 史瓦西（Karl Schwarzschild)發現了愛因斯坦方程大品質星的精確解。愛因斯坦 非常吃驚史瓦西（Schwarzschild)能夠在槍林彈雨中找到他的複雜張量方程的 解。他同樣吃驚史瓦西的解有奇特的性質。

從遠處看，史瓦西（Schwarzschild)的解代表一個普通星星的重力，並且愛因 斯坦很快地利用這個解計算圍繞太陽的重力，校核他早期做的近似計算。為此 他終身感謝史瓦西。但是史瓦西的第二篇文章指出：在一個品質非常大的星的 外圍有一個虛構的有著奇異特性的「魔球」。這個「魔球」是不可返回的極限點。 任何一個經過「魔球」的人將立刻被重力吸到這顆星星中，別人就再也見不到他 了。甚至光線掉進這個球也不能逃離。史瓦西沒有認識到:通過愛因斯坦方程, 他重新發現了米歇爾（Michell)的黑星。

下一步，他計算了這個「魔球」的半徑（叫做「史瓦西半徑」〔Schwarzschild radius〕）。對於一個像我們太陽這樣大小的物體，魔球大約3千米（大約2英 裡）。（對於地球，它的史瓦西半徑大約1厘米。）這意味著如果我們能將太陽壓 縮到2英裡，它就會變成黑星，經過這個不能返回的極限點的任何物體都會被它 吞食掉。

實際上，魔球的存在不會引起問題，因為不可能將太陽壓縮到2英裡（3千 米）的尺寸。還不知道有什麼機制能產生這樣奇異的星。但理論上，它是一個 災難。儘管愛因斯坦的廣義相對論可以產生燦爛的結果，如光線繞太陽的彎曲， 然而當離魔球距離很近時重力變得無限大，該理論失去了意義。

一位荷蘭物理學家約翰尼斯?德羅斯特(Johannes Droste)指出，該解答比人 們能夠想到的還要古怪。根據相對論，當光線跑過這個物體的周圍時它將嚴重 地彎曲。事實上，當光線經過距離這顆星星1.5倍史瓦西半徑的地方時，光線將 環繞這顆星星以圓形軌道運行。德羅斯特（Droste)指出，當光線環繞這些大質 量星星時，按廣義相對論預計的時間扭曲比狹義相對論預計的要大得多。他指 出：當你接近這個魔球時，遠處的人會說你的鐘變得越來越慢，當你碰到這個物 體時你的鐘完全停止。事實上，外界的人會說，當你到達這個魔球時你的時間凍 結了。因為在魔球中時間會停止，因此有些物理學家相信這樣奇異的物體在自 然界不會存在。讓事情變得更加有趣的是，數學家赫爾曼?韋爾（Hemian Weyl)指出，如果我們研究魔球內部的世界，似乎在它的另一側存在一個另外的 宇宙。

所有這一切都是這麼離奇，甚至愛因斯坦也不能相信它。1922年，在巴黎 的一次會議上，數學家雅克?阿達馬（Jacques Hadamard)問愛因斯坦：如果「奇 異性」是真的，也就是說如果在史瓦西半徑處重力變得無限大會發生什麼事情。 愛因斯坦回答道對於這個理論來說

，它將是一個真正的災難，事先很難說實 際上它會不會發生，因為公式不再適用。」愛因斯坦後來將此叫做「阿達馬災 難」。但是愛因斯坦認為所有這些關於黑星的辯論是純粹推測的。首先，沒有 人看到過這樣奇異的物體，也許它們不存在，也就是說它們是不現實的。此外， 如果你掉進一顆黑星，你就會被擠扁壓死。因為人們絕對不可能通過魔球（因 為時間停止了），所以絕沒有人能進入這個平行宇宙。

在20世紀20年代，這個問題使物理學家完全困惑。但是在1932年，大爆 炸理論之父喬治?勒邁特爾（Georges Lemattre)做出了一個重要的突破。他指 出：魔球根本不是奇異的，而是由於選擇了不合適的數學公式引起的幻覺。（如 果選擇不同的坐標或變數考察魔球，奇異性就消失了。）

宇宙學家H. P.羅伯遜（H. R Robertson)用這個結果重新考察德羅斯特

(Dmste)原來的在魔球中時間會停止的結果。他發現，僅當觀察火箭船進入魔 球的觀察者從有利的位置進行觀察時時間才停止。從火箭船本身的有利位置觀 察，重力只需要幾分之一秒就會將你吸入魔球。換句話說，太空旅行者會非常不 幸，當他通過魔球時他發現自己被立即擠扁壓死，但是對從外界觀察的觀察者來 說，這個過程似乎用了幾千年。

這是一個重要的結果。它意味著魔球是可以達到的，不再是一個數學畸形 而被排除。人們不得不認真考慮，如果從魔球中穿過會發生什麼。於是物理學 家計算穿過魔球的旅行會是什麼樣子。（今天魔球被稱為「事件穹界」〔the event horizon〕。「彎界」指的是可以看到的最遠點。此處指光線能夠傳播的最遠點。 事件穹界的半徑叫做史瓦西半徑。）

當你乘火箭船接近黑洞時，你會看到在幾十億年前被黑洞捕捉的光線，回到 黑洞開始產生的時候o換句話說，黑洞的生命史將展示在你面前。當你離得更 近時，重力會逐漸將你身體的原子撕裂開，直到你身體的原子的核也被拉成意大 利麵條的樣子。穿越事件穹界是一條不歸之路，因為重力是如此強烈，你最終將 被吸到黑洞的中心，被擠垮壓碎。一旦到了事件穹界的內部，就再也沒有機會返 回。（要想離開事件穹界，除非你比光跑得還要快，但這是不可能的。）

1939年，愛因斯坦寫了一篇文章想排除這種黑洞，他聲稱這些黑洞不能靠 自然過程形成。愛因斯坦首先假定，星星是從一個球形範圍內旋轉的塵埃、氣體 和碎片開始的，在重力作用下逐漸聚在一起。愛因斯坦然後指出，這些渦旋的粒 子集絕不會收縮到它的史瓦西半徑範圍內，因此絕不會成為黑洞。這些渦旋的 粒子最多能夠達到1.5倍史瓦西半徑的地方，因此黑洞絕不會形成。（要進入低 於1.5倍史瓦西半徑，就要比光還要跑得快，這是不可能的。）他寫道：「該研究 的基本結果是要清楚地理解為什麼『史瓦西奇異性』 (Schwarzschild singularities) 在物理現實中不會存在。」

亞瑟?愛丁頓（Arthur Eddington)也對黑洞持深深的保留意見，一生都在懷 疑它們是不是存在。他曾經說應該有一個自然定律防止星星出現這種奇怪 的方式。」

與此相反，在同一年，J.羅伯特?奧本海默（J. Robert Oppenheimer)(他後來 製造了原子彈）和他的學生哈特蘭?斯奈德（Hartland Snyder)指出：黑洞的確能 夠通過其他機制形成o他們不是假定黑洞來自渦旋的粒子在重力下聚集，他們 的出發點是一顆老的、大品質的星，用完了它的核燃料，因此在重力作用下內向 爆裂。例如，一顆正在死亡的品質為太陽40倍的巨星，可能耗盡了核燃料，被重 力壓縮到80英裡（128. 75千米）的史瓦西半徑（Schwarzschild radius)範圍內，最 終瓦解形成黑洞。他們認為黑洞不僅是可能的，也許還是星系中幾十億顆正在 死亡的巨星的自然終點。（奧本海默在1939年提出的這個向內爆裂的思想也許 鼓舞了他在幾年之後將內向爆裂的思想用在原子彈上。）

?

TAG: |