文章專區

[ 第五節] 經典黑洞

逃逸速度與質量的關係

〈極快篇〉第三章講過一個概念，叫做第二宇宙速度。第二宇宙速度是說，如果要徹底擺脫地球引力的束縛，就必須達到一個臨界速度，大約是11.2 km/s，也叫逃逸速度（escape velocity）。逃逸速度不僅限於地球，任何一個天體都有它對應的逃逸速度。因為要逃出某個天體，就要克服它的萬有引力。總體來說，一個天體的質量愈大，半徑愈小，逃逸速度就愈大。而天體表面萬有引力的大小，和天體的質量成正比，和天體半徑的平方成反比。

逃逸速度大到光速會怎麼樣？

如果有一個天體，質量大到一定程度，半徑小到一定程度，以至於它的逃逸速度超過光速，會出現什麼情況呢？

很顯然，這種情況下，連光都無法從這個天體上逃離，這種天體就是經典意義上的黑洞。根據愛因斯坦的相對論，任何有質量的物體，如果速度達到光速，意味著它有無限大的能量，這在現實中是不可能的，所以任何有質量的物體的運動速度都無法超越光速，自然不可能從黑洞逃逸出去（包括光）。

黑洞的性質

這就解釋了為什麼從經典物理的意義上講黑洞是「黑」的，你能看到物體有顏色，是因為物體反射的光傳到眼睛。但黑洞的引力太大，沒有任何光可以從中逃逸出來，自然就無法進入眼睛，你看上去就是黑色的。

為什麼黑洞是一個「洞」，而不是一顆球呢？因為它強大的「吸收」能力。任何東西只要進入黑洞的範圍就無法逃出來，就和無底洞一樣，只進不出，所以叫黑洞。黑洞的形成，總體來說要讓天體表面的引力夠大，要嘛質量非常大，要嘛半徑非常小。在中子星半徑很小的基礎上，如果再加質量，就有可能達到黑洞的引力要求。

[ 第六節] 宇宙裡還有什麼？

放眼望去，你能在宇宙中看到各種天體，其中發光的主要是恆星。但宇宙裡的主要物質恰好是肉眼不可見的，甚至目前連實驗儀器都探測不到，這就是暗物質（dark matter）。

簡單來說，暗物質就是在宇宙中廣泛存在，但只提供萬有引力，不參與其他任何相互作用的物質。再加上其萬有引力非常弱，所以要在地球範圍內探測到暗物質十分困難。既然探測不到，暗物質的概念是怎麼來的呢？

銀河系轉得太快

暗物質的假設來自對銀河系轉速的觀測，銀河系內有很多天體，外觀看上去像個大圓盤，圍繞著銀河系的中心轉動。

既然是轉動，就需要向心力。什麼是向心力呢？例如一根繩子上綁著一個重物，你揮舞著繩子讓重物轉動起來。轉速愈快，你會感覺手裡繩子的張力愈來愈大，這個力就提供重物持續轉動的向心力。

銀河系既然在旋轉，就需要向心力，其實就是銀河系裡的天體提供的萬有引力。銀河系裡的可見天體有多少，我們可以透過天文觀測估算出來。有了這個數值，就能估算出這些天體能為銀河系的旋轉提供多少萬有引力。計算後會發現，以目前銀河系的轉速，現有銀河系裡的可見天體無法提供那麼大的萬有引力。換句話說，銀河系轉得太快了。如果光靠銀河系現有的可見天體來提供萬有引力，銀河系早就解體了。要如何解決這個矛盾呢？科學家們引入暗物質的概念。

想像中的暗物質

暗物質是科學家們假想的一種物質，幾乎只提供萬有引力。所以現實中還沒有用任何可靠的實驗探測到，起初只是為了解釋銀河系轉速過快的問題。

暗物質不產生任何其他效果，和電磁場沒有任何交互作用。為什麼和電磁場的交互作用那麼重要呢？因為在實驗室裡，要研究一種物質或基本粒子，通常是用電磁交互作用來探測。如果暗物質不和電磁場有交互作用，就等於我們用常規手段探測不到它。除了沒有電磁交互作用外，暗物質幾乎不參與強力和弱力的交互作用。這樣一來，我們無法用粒子物理的方法探測它。也就是說，如果暗物質存在，它在現實世界中碰到其他物體，都不會感受到任何障礙，暗物質可以「穿透」一切物質。

這就是為什麼到目前為止，暗物質的概念已經提出幾十年〔十九世紀末，著名物理學家克耳文勳爵（WilliamThomson, 1st Baron Kelvin）透過計算銀河系的轉速就已經有「暗體」（dark body）的概念〕，但科學家們除了觀察到它的引力效果外，完全沒有任何相關的實驗資訊。且由於其萬有引力非常弱，所以在地球範圍內做實驗，暗物質的引力效果幾乎觀察不出來，只有大到銀河系的尺度，才能顯著感受到它的存在。

有科學家提出，如果能在對撞機（collider）裡製造出暗物質，由於除了引力它不參與其他交互作用，可以穿透一切的暗物質應當會在被製造出來後自發地逃出對撞機，這樣會造成對撞機內物質的能量和動量不守恆，這種不守恆應該可以被探測到。

雖然這個理論頗有道理，但目前沒有實驗上的顯著進展。

關於暗物質的猜想

假設暗物質真的存在，我們可以根據天文觀測估算它在宇宙中的含量有多少。根據計算，暗物質占宇宙中質能總量的二○％以上，這是一個巨大的數字。要知道，宇宙中普通物質（ordinary matter）的質量只有五％左右。再加上之前介紹過主導宇宙膨脹的暗能量，和暗物質加起來，總共占據全宇宙能量的九五％以上。所以宇宙裡的物質，可以說絕大部分都隱藏著，是我們感知不到的，更增加宇宙的神祕感。

當然，也存在另一種可能，就是我們目前的理論還不夠完善。宇宙的尺度非常大，但從實驗探測的角度來說，人類至今還沒飛出太陽系。雖然我們的科學理論在太陽系尺度內來看很準確，但緊靠對於太陽系以外宇宙的觀測，不能百分之百保證，像廣義相對論這樣描述大尺度宇宙行為的理論，放在銀河系，甚至全宇宙仍然正確。所以，暗物質的概念未必正確，暗物質也未必真的存在，只是我們以往的理論還不夠完善，不足以解釋銀河系轉速過快的問題。可見人類在探索宇宙這條路上，還有很長的路要走。……【更多精彩內容請閱讀時報出版《六極物理》】

書名│《六極物理》
作者│嚴伯鈞
出版社│時報出版
出版日期│ 2021 年10 月