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2018/03/9 第 1420 期
 
   

‧【祁立峰讀古文撞到鄉民】那個最後選擇焚書的藏書人 …..

 
   

‧3月10日(六)【神經不神經新書分享會】主講│蔣永孝 醫師…..

 
    ‧解放的悲劇:中國革命史1945-1957(當代中國史學家馮客三部曲)……
 
   

【黑洞】——連時間之箭——光,都無法逃脫的桎梏

 
 

親愛的讀友們:

【神經不神經新書分享會】
主題:分辨痠、麻、痛,搞懂神經骨骼疾病
時間:3月10日(六)14:00-16:00
(14:00-14:30報到,逾時取消入場資格)
地點:敦南誠品B2視聽室(台北市敦化南路一段245號)
https://www.facebook.com/events/539627923087085/

 

     
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作者/侯維恕

作者/馮客

作者/麥可‧韋斯、哈桑‧哈桑

作者/楊儒賓

作者/羅智成

作者/臺靜農

編著者/日本實業出版社

作者/樊樹志

作者/作者:J. J. 奧斯泉 繪者:麥克‧克拉多 譯者:幸佳慧

作者/祁立峰

作者/尼克‧洛普

作者/西蒙‧夏瑪

   
  

演化、宇宙、人

讓我們繼續看看黑洞,那連時間之箭——光,都無法逃脫的桎梏。

在建構對黑洞的基本了解後,我們將繼續探討蟄伏於諸多星系核心的超大質量黑洞與近期偵測到因黑洞合併產生的重力波。既然黑洞是時空扭曲的具體範例,我們也將旁涉另一項迷人的話題:時間旅行。

※   ※   ※

微弱的重力已經在某些物體勝過其他作用力:黑洞——它們崩塌得如此之深,連光或任何訊號都無法逃脫,那凍結的時空扭曲,在原來的所在留下印記。

※   ※   ※

⊙ 完全重力崩塌

完全重力崩塌,指的是重力壟斷一切,任何東西都無法從中脫逃。

在四大作用力中,重力最微弱,對人而言也不直觀。爬山時從峭壁俯望,那種如臨深淵、搖搖欲墜的感覺才提醒我們:重力對人類而言是非常強大的。電性除了藉化學鍵結組成身體外,其餘的正負電都中和掉了,所以我們感受不到電力。但重力卻是累積性的,無法中和,而人類七十公斤的軀體含有多少摩耳的碳水分子啊!難怪之前提過霍伊爾的「黑雲」便嘲笑人們與地球生物的身體結構不外乎是在抵抗重力,不如擴散的雲氣自由自在。而為何太陽等星體這麼大?這也關乎重力與其累積性,是我們未及討論的一個命題。

雖是最微弱的作用力,重力卻也是人類最早認知、最有科學淵源的作用力,但至今仍是個謎。十七世紀後半,刻卜勒歸納出的定律解釋了行星的軌道,當牛頓注意到蘋果自樹上掉落,聯想到星體的繞行就如同物體的掉落一般,發明萬有引力定律以解釋刻卜勒的行星運動定律,還發展了對應的數學。此後重力成為我們最熟悉的作用力。我們可以在地球上行走,或站或坐而不會飄起來,都是因重力將我們吸附在地表成為「準二維」生物。想想如果突然抵達一個引力高出地球十倍的星球,你將完全無法走路,僅能趴伏在地無法站立,呼吸也無比困難,痛苦萬分。而黑洞是個重力大到甚至連光或任何訊號都無法逃逸的所在。你能想像它的重力和地球相比有多強嗎?

讓我們再次回顧星球生命的終點。我們的太陽是顆中等質量星球,再過五十億年會變成紅巨星,炸掉外層之後內縮成白矮星。質量大於太陽數倍的星球會膨脹成更大的超巨星,然後如北宋仁宗時的1054 年超新星般爆炸,爆炸之劇烈距離我們五千光年依舊「白晝可見」。這是因為內部重力收縮瞬間釋放出極大能量,然而這收縮卻將核心壓成中子星,也就是原子核全被壓碎,電子被壓入質子成為中子。在更高質量的星球,其內裡壓縮至中子星的結構都無法抵抗時,就因重力太強而直接跨越中間階段產生黑洞。物質產生的重力崩塌將空間扭曲、壓縮並在原處留下痕跡,像把時空凍結,便是前述的「凍結星」。

大質量的星球越早期越多。我們的銀河系已經一百億年,而太陽目前歲數為五十億年,在銀河系早期,形成較大星球的情形應該更普遍,所以銀河系理應有許多黑洞。這些黑洞存在古遠,我們卻長期無所知覺,顯然並未身受其害。而星球經超新星爆炸形成中子星也發生無數次了,我們的生命還是依靠爆炸星體的殘留所供應的呢。

讓我們稍稍瞭解這些星球終極體。白矮星與地球的大小差不多,質量比太陽小一點,所以密度很高,又因溫度高,所以白白的。它裡面是所謂的「簡併物質」(degenerate matter), 用的是量子物理的術語。白矮星的抗壓力,正是藉簡併電子氣體壓力而來。基本上很多電子被重力束縛住了,因它的「費米子」(自旋為1/2)特性,擠成一堆的電子的等價溫度較其所處環境高很多,也就是動能非常、非常高。因此白矮星是靠著簡併電子氣體的壓力抵擋重力的壓縮,在太陽質量的附近維持穩定。白矮星表層有幾十公里厚的「一般」氣體,不過這氣體比太陽濃密了無數倍。

比太陽質量大數倍以上的星球到了生命末期內部收縮時,簡併電子氣體壓力也抵擋不住重力了,電子藉弱作用被壓入質子,多半的原子核被壓碎了,累積的中子開始形成中子星。它的表面同樣有一、兩公里厚、密度極高的殼,進行核反應的內部主要是中子及氦原子核等其他成分,但壓力越大,其他粒子就越少。它藉「簡併中子氣體」壓力抵擋重力壓縮,因為中子氣體的等價溫度又更高,但代價就是被壓縮得更小,直徑只有20 公里,可以放在台北市的上空,但這麼小的星卻有1.5 倍太陽質量。這是個超大原子核,但不是藉核力凝結,而是被重力壓縮在那兒。不論是電子或中子的簡併氣體壓力,都是在不到百年前人類初步探索量子力學時才知曉,也與哈伯觀測宇宙膨脹的知識突破同期。這不也是身為沉思者與巧手者的人類又一樁令人驚嘆的認知?

但黑洞其實比電子或中子的簡併氣體壓力更單純。與黑洞相應的層級是「事件視界」(Event Horizon),光都無法逃脫的範圍,重力收縮力道更強,根本無可抵擋,於是便豪放地無限壓縮下去。簡併氣體對黑洞而言可說不足掛齒了。

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