黑洞的誕生?

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EHT 分別於全球 6 地同步舉行發佈會,其中一場位於美國華盛頓。 圖片來源:Chip Somodevilla / Getty Images

史上首張黑洞照片日前發佈,盡掃科學界過去對黑洞是否存在的質疑。同時,有公開照片的「事件視界望遠鏡(EHT)」計劃研究員強調,黑洞照片證明愛因斯坦的廣義相對論正確。雖然天才物理學家的理論,正確描述了空間、時間、物質及重力的關係,但原來愛因斯坦當年,亦曾懷疑黑洞設想是否正確。

黑洞理論源於廣義相對論的見解,但「黑洞」一詞並非由愛因斯坦創造。提出「黑洞」的已故美國物理學家 John Wheeler,曾概述廣義相對論:「物質驅使時空扭曲,時空驅使物質按其扭曲移動。」假如一塊懸空的扁平橡膠板代表時空,人們在中央位置放上一個代表物質的保齡球,膠板自然會因承受保齡球的質量而扭曲,下墜到更加接近地面。扭曲的時空構成重力場(gravitational field),如此便簡潔說明了,時空是如何受物質扭曲。

隨後,繼續於膠板周邊放置滾石,因為先前中央已有一顆保齡球,重力場令石的滾動軌跡發生變化:從外向彎曲下墜的中央繞轉。最初被物質改變了的時空,由此使影響了物質的移動。可見廣義相對論下,物質、時空關係密切,重力則調節彼此的相互作用。

M87 星雲的超大質量黑洞。 圖片來源:路透社

粗略理解廣義相對論後,又如何延伸至黑洞理論?德國物理學家 Karl Schwarzschild 便提出一項假設:把一個密度無限的奇點(singularity)放到板中央。他認為,在達到特定條件下,這個奇點理論上會穿越時空。天體物理學裡的奇點,可嚴重扭曲時空,即便是最快的光速,也不能從奇點產生的時空洞中逃逸。

儘管數學上,奇點是一個有趣的數值解(numerical solutions),但當時天體物理學界普遍反對「奇點」的假設,理由是現實中沒有已知機制可產生「奇點」。Schwarzschild 一直堅持自己的看法,直至 1916 年去世,他的理論仍被忽視。

終於,印度裔天體物理學家 Subrahmanyan Chandrasekhar 在 1935 年找到奇點出現的機制。他提出,如果一顆巨大恆星耗盡自身燃料後,由於已不能平衡自身重力,物質便會向內塌陷,稱為「重力塌縮(gravitational collapse)」,導致時空崩塌。Chandrasekhar 的發現,拉近了數學假設與科學可能性之間的差距,為日後證實奇點形成,提供背後理論。

不過,由於這些概念在當時聽來過於激進,即使是愛因斯坦本人,對此亦帶有疑慮。他在 1939 年刊於「數學年鑑(Annals of Mathematics)」的論文中,亦表示有關想法「沒有說服力」,而且這種現象在現實中並不存在。

及至 60 年代,兩位物理學家霍金及 Roger Penrose 終於證明,奇點在宇宙中並不罕見,是宇宙系統的一部分。當擁有巨大質量的恆星耗盡自身後,便自然演化成奇點。而愛因斯坦逝世 12 年後的 1967 年,Wheeler 在紐約一個學術會議期間提出「黑洞」一詞,描述此一恆星崩塌後的狀態。他又在 1999 年的自傳中寫道:「黑洞讓我們知道,像紙一樣的空間,能被揉成無限小的點。在那時候,時間就像吹熄的火焰一樣熄滅。以及我們自以為『神聖不可變更的物理定律』,其實甚麼都不是。」