長篇文章 - 黑洞﹑白洞﹑蟲洞

Galneryus

長篇文章 - 黑洞﹑白洞﹑蟲洞
我們都知道，在兩百年前有一位偉大的物理學家發現了萬有引力定律，他就是出生於英國的牛頓(Issac Newton)。定律中說，兩個物體間一直存在著一種力量，他是一種吸引力，其力量大小正比於兩個物體的質量，也就是說兩個物體間，只要其中一個的質量越大，他們倆個之間的吸引力也就越大，這是現在一般廣為人知的一件事實。
　　另外，還有一件事實，是愛因斯坦(Albert Einstein)一直堅信的事情，那就是光速不變定理，他說宇宙中最快的速度是光速，沒有任何的速度能夠超越他。因為他非常相信這個假設，所以把這件事當作他特殊相對論中的一個公設，以這個假設出發，就發展出了偉大的相對論。
　　但如果把這兩件事同時考慮的話，就會發生一件有趣的事，如果一個物體的質量很大，相對的吸引力也很大，大到就算你用光的速度想要逃脫也逃不了的時候，會發生什麼事？於是很多科學家就去探討這個問題，這時就產生了一個名詞「黑洞」(black hole)。他是一個毫無止境的無底洞，所有物質只要經過他的引力範圍就逃脫不了他的魔掌，必定會被他吸進去，而消失在這個宇宙中。
　　但事情必有正反兩面，而且基於科學界普遍都接受的一個想法：我們這個宇宙到處都充滿著對稱性。所以就有人想，既然黑洞無止境的吸入物質；那有沒有可能有一種東西，跟黑洞相反，是一直吐出物質的呢？所以這時就又出現了另一個名詞「白洞」(white hole)。
　　這時許多充滿想像力的科學家又想到了，如果黑洞一直吸入物質而白洞一直吐出物質，那他們倆中間有沒有一種通道呢？於是「蟲洞」(warm hole)這個名詞也由此誕生了。不過後來由於許多理論的誕生，蟲洞也就沒有這麼簡單的被解釋。
　　以下我們就是要探討黑洞的成因，以及目前對黑洞的認識；而白洞只是個數學推導所產生的一個結論，目前並沒有證據顯示白洞的存在。而且許多想像中關於蟲洞有趣的應用也產生了。
＊黑洞的誕生：
　　要了解black holes的形成得先了解ㄧ顆恆星的形成，因為超新星的前身為一耀眼的恆星。
　　一開始宇宙間偶然地有些稀薄原子塵與氣體(大多為氫氣)因有較大量的聚集開始因彼此的萬物引力作用而彼此靠近，一旦靠近，之間引力愈大，便急速收縮，經幾十億年星際介質成為密實雲層而更向內部塌陷，因為壓力迫使內部體積縮小，溫度上升，一直到達足以產生融合反應，產生爆炸，一顆新興恆星於是焉形成。
　　原始恆星周圍的氣體或爆炸殘骸便有機會成為行星，燃燒所放出的熱能和向外的膨脹力與重力位能往內收縮的重力平衡，待其穩定下來後恆星便開始進入平凡無奇的主序帶，一直到其內部的燃料燃燒殆盡，破壞了平衡，內部開始向內部塌陷，收縮，又再次點燃較重原素(氦)的融合，恆星外部則依舊膨脹，而溫度降低，直到膨脹至一百倍大則成為紅巨星。
　　質量小的冷卻成為白矮星，質量大的繼續收縮直到其試圖融合鐵，為了補充能量，它便壓縮自己的核心，藉以大量微分子補充能量，最後恆星將自己的外層噴爆而出，成為超新星。超新星大約只存在三秒鐘，它在爆炸後仍繼續收縮，可能成為中子星，亦有質量大持續無止境的收縮也就是黑洞的形成。
　　而黑洞的概念是由愛因斯坦廣義相對論所推導出來的結論：一個核反應完全停止的星體，無力頂住萬有引力而坍縮；當原子被壓破時，就會變成白矮星，而恆星量較大時，則還會敲開原子核，變成擠成一團、密度更大百萬倍的中子星；如果坍縮的恆星質量更大時，則坍縮還會進行下去，所有物質會無可避免、永遠坍縮下去，所有質量將集中在一個沒有大小的「奇異點」上。
　　奇異點周圍的重力也特別大，在某個範圍以內，重力龐大得連光線也逃不出去。這個連光線也逃不出去的面，稱為事相平面（event horizon）。光線和任何物質都只能從事相面外部進入其內部，而無法從裡邊逸出。這個事相面的裡邊就是黑洞。黑洞是個極為單純的星體，只包括位於中央的奇異點和圍繞異點的事相面。事相面內除了奇異點之外，連一個原子也沒有。
　　黑洞不發光，就不可能發現它的存在的證據了！其實不然；例如當周圍的物質被吸引時，卻會透露出黑洞的存在。圍繞黑洞的雲氣會以極高的速度運動，若偵測到氣體圍繞著非常小的區域高速運動，我們便能推測該區域可能有個黑洞。而當物質被吸入黑洞時，因這些氣體由質子及電子的電漿組成，彼此摩擦而成高溫狀態，便會放出x及r射光，於是我們便可察覺黑洞的存在。

＊黑洞的參數：
　　要了解一顆星體，我們需要很多參數，但當它塌縮成為一個黑洞，任何物質都不能逃離它，因此我們是無法觀測到任何有關它的信息。根據研究，只有三個基本參數，質量、電苛和旋轉，我們才能在遠距離探測到，這就是「黑洞沒有毛髮」定理。
　　理論上，黑洞可按積分成小、中和大三類，已有好些証據顯示，中型黑洞是大星體在其生命終結時，星體內陷和坍塌後所留下的遺骸，而大型黑洞則存在於很多星系中，可能包括我們身處的星系。
＊黑洞的界限：
　　當一個黑洞形成後，所有物質都會向中心場縮成高一個非常細小的質點，稱為奇異點 Singularity，黑洞的表面層稱為”事件平面”Event Horizon。而這表面層和中心奇點的距離就是史瓦半徑。任何物質要從黑洞的史瓦半徑跑到外面去，它的逃離速度 Escape Velocity便要大於光速。但根據狹義相對論，光速是速度的極限，因此，一切物質到了事件平面便扯向中心的奇異點，永不能逃出來。重力半徑又稱史瓦半徑 Schwarischild Radius，它只與體的質量成正比。
＊黑洞的探索：
　　由於黑洞不能發出光線，體積又非常細小，所以是不可能用天文望遠鏡規測得到的。但根據理論，如果一對雙星中的伴星是黑洞，那麼主星的物質被吸引向黑洞而形成一個吸積環。由於吸積環的物質互相摩刷而引起高溫，因而輻射X光線。於是黑洞搜索者就將重點於X射線密近雙星上。
　　1962年，人們探測所得，位於天鵝座鵝頸內有一股X射線，並將該源命名為 Cygnus X-1是非常有可能是一黑洞。天鵝座X-1是一X射線源，它的一顆子星是超藍巨星，那可能是黑洞而看不見的子星質量。
＊黑洞的種類：
　　旋轉黑洞又稱為克爾黑洞，它們的特性和以上所說的靜止黑洞很不同。旋轉黑洞有外內兩個事件平面，而它們之間的區域稱為能層。在能層內的物質會被黑洞自轉所帶動，但仍有機會逃離黑洞的魔掌。內事件平面才是真正的死亡線，一旦進入便永無翻身之日。
　　理論上，我們是可以從黑洞中搾取它的自轉能。方法是把一件物體放進能層，然後把物體分成兩部分，讓一部分墮進黑洞，另外一部分逃離黑洞﹐若我們適當地選擇它們的質量、分離的時間等等﹐便可以讓逃離的部分以更高速度(即更高能量)離開黑洞。或者在茫茫宇宙，確有先進的天外文明，利用這個方法抽取黑洞的能量呢！
　　黑洞蒸發理論由美國科學家霍金提出，理論中指出黑洞周圍的高能量環境中，會產生正、反粒子，然後相碰化成能量。如粒子產生在近事界的地方，因強大潮汐力，有其中一顆粒子可能能逃離重力場，另一顆則掉入黑洞。這樣，黑洞的能量就會散失，直至黑洞能量耗盡，即蒸發為止。

＊白洞是什麼？
　　簡單來說，白洞可以說是時間呈現反轉的黑洞，進入黑洞的物質，最後應會從白洞出來，出現在另外一個宇宙。由於具有和「黑」洞完全相反的性質，所以叫做「白」洞。目前天文學家已經實際找到黑洞，但白洞並未真正發現，還只是個理論上的名詞。

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＊白洞的導論？
　　黑洞作為一個發展終極，必然引致另一個終極，就是白洞。其實膨脹的大爆發宇宙論中，早就碰到了原初火球的奇異點問題，這個問題其實一直困擾著科學家們。這個奇異點的最大質量與密度和黑洞的奇異點是相似的，但他們的活動機制卻恰恰相反。高能量超密物質的發現，顯示黑洞存在的可能，自然也顯示白洞存在的可能。如果宇宙物質按不同的路徑和時間走到終極，那麼也可能按不同的時間和路徑從原始出發，亦即在大爆發之初的大白洞發生後，仍可能出現小爆發小白洞。而且，流入黑洞的物質命運究竟如何呢？是永遠累積在無窮小的奇異點中，直到宇宙毀滅，還是在另一個宇宙湧出呢？如果黑洞從有到無，那白洞就應從無到有。６０年代的蘇聯科學家開始提出白洞的概念，科學家做了很多工作，但這概念不像黑洞這麼通行，看來白洞似乎更虛幻了。問題是我們已經對引力場較為熟悉，從恆星、星系演化為黑洞有數理可循，但白洞靠什麼來觸發，目前卻依然茫然無緒。無論如何宇宙至少觸發過一次，所以白洞的研究顯然與宇宙起源的研究更有密切的關係，因而白洞學說通常與宇宙學及結合起來。人們努力的方向不在於黑白洞相對的哲學辯論，而在於它的物理機制問題。從現有狀態去推求終末，總容易些，相反的從現有狀態去探索原始，難免茫無頭緒。

＊白洞的起源：
　　白洞學說出現已有一段時間，1970年捷爾明便提出它們存於類星體、劇烈活動的星系中的可能性。相對論和宇宙論學者早已明白此學說的可能性，只是這與一般正統的宇宙觀不同，較不易獲得承認。某些理論認為，由於宇宙物體的激烈運動，或者星系一部噴出的高能小物體，它們遵守著克卜勒軌道運動。這是一種高度理想化的推測，亦即一個地方有幾個白洞，在星系核心互相旋轉，偶然噴出滿天星斗。噴出的白洞演化成新星系。而從星系團的照片中可觀察到一系列的星系由物質連接起來。這顯示它們是由一連串劇烈噴射所形成的。照此來說，白洞可能會像阿米巴原蟲一樣分裂生殖，由分裂而形成星系。然而這又和目前的理論相違背。從此看來，就是星系生成也有不同見解。有的天文學家便提出並接受宇宙之初便有不均勻物質的結塊，而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇點收縮，星系、星系群都同一動作，這當然和黑洞的奇點相似。宇宙的不同區域，其密度皆不同，收縮時首先在高密度的地方，達到了黑洞的臨界密度，從此消失在事界之後，宇宙不斷收縮，使不斷出現高密奇點。宇宙成為大量黑洞及周圍物質的集合體。然而事實上，宇宙是膨脹而非收縮的，因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整體性源始的大奇異點中存在著密度高的小質點，它們隨著膨脹向四面八方擴散，大白洞大量爆發生出小白洞。星系等不均勻物體，正是由它生成的。不均勻物體之所以易和黑洞拉上關係，皆是因為它和膨脹現狀相對稱的宇宙中局部收縮的過程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是並行不悖的，是過程的兩個端點而已。黑洞奇點是物質末期塌縮的終點，白洞物質的奇異點是星系的始端。只不過各過程不是同時，而是先後交錯的。
＊白洞的噴發：
　　有關於白洞的資訊，目前並不多。所以我們對白洞的噴發並不十分了解。白洞的噴口的來歷並不清楚，一如大爆發原因不明。奈里卡在1975年論述了許多使天文學家感覺困擾的問題和白洞的數學連繫，這是相關重要的。在噴發中白洞存在的前提下。外部觀測者可以探測到藍移所致的不同輻射源的頻譜。大爆發的初期狀態所遵循的愛因斯坦宇宙論方程式同樣可施於探索星系規模膨脹系統的未爆核狀態，但奈理卡使用了方程式時結合了過程的物理項。白洞向外爆發的時間極短，這一瞬的過程當然很難說明，但白洞所產生的電磁輻射市可計算的。觀測到的爆炸光譜的最大特徵，是最初以高能輻射為主體，不久就顯示出低能輻射。輻射若是由白洞產生，這現像就很自然了輻射能愈高，藍移也愈大，所以最初可見光也都移到紫外區了。他還計算了銀河系中偶然的小規模爆發現象，說明了銀河內小白洞隨時爆發的可能性。例如短期間活動的銀河內X-ray，劇烈的最高能量最先到達，其後能量下降，整體按幕函數遞減在光譜中顯示出來。這和白洞理論計算是一致的。各X-ray之間，光譜不盡相同，不過這差異可從白洞對自己產生的電磁輻射產生畸變說明。因為白洞內產生的輻射可能有黑體輻射(微波以下噪音)、自由─自由輻射(帶電粒子間相互作用產生)、同步輻射(帶電粒子在強磁中通過而產生)等不同形態。人造衛星偶然觀測到的突發r射線，可以白洞影響說明；宇宙射線背景高能粒子的生成，也可以認定是白洞噴發的物體。
宇宙中真的有白洞存在嗎？
　　到目前為止，『白洞』還只是個理論名詞，科學家並未實際發現。 在技術上，要發現黑洞、甚至超巨質量黑洞，都比發現白洞要容易的多。也許每一個黑洞都有一個對應的白洞？！。但就我所知，我們並不確定是否所有的超巨質量"洞"都是"黑"洞，也不確定白洞與黑洞是否應成對出現。但就重力的觀點來看，在遠距離觀察時兩者的特性則是相同的。
　　我們知道，由於黑洞擁有極強的引力，能將附近的任何物體一吸而盡，而且只進不出。如果，我們將黑洞當成一個『入口』，那麼，應該就有一個只出不進的『出口』，就是所謂的『白洞』。黑洞和白洞間的通路，也有個專有名詞，叫做『灰道』（即『蟲洞』）。雖然白洞尚無發現，但在科學探索上，最美的事物之一就是許多理論上存在的事物，後來真的被人們發現或證實。因此，也許將來有一天，天文學家會真的發現白洞的存在。
＊蟲洞的出現：
　　早在二十世紀三十年代，愛恩斯坦和物理學家羅森已經發現，在繁複的引力場方程式中，竟然暗示宇宙中可能存在連接兩個不同地點的時空隧道，這種時空結構稱為「愛恩斯坦-羅森橋」。
　　1985年，著名天文學家薩根剛完成了科幻小說《超時空接觸》的寫作，並邀請他的老朋友物理學家基普，看看小說中有關瞬間宇宙旅行的描寫，在科學上是否可行，想不到這樁小軼事，卻引起了科學界研究時空旅行的熱潮。
　　基普博士和他的研究小組經過深入研究後發現，時空旅行並沒有違反現今所知的科學理論，且更進一步提出利用蟲洞作時空旅行的構想。
　　蟲洞是理論中一種連接兩處時空的特殊通道。讓人類以瞬間穿梭宇宙，甚至作時間旅行。
和黑洞不同的是，黑洞是大質量恆星死亡後的必然產物，但在自然界中，卻並沒有一個機制會自然產生蟲洞。以純理論來說，有兩種「可行」的製造蟲洞方法。
方法一：
　　如果我們有一個現實中不可能存在的超級顯微鏡，能看到小至10-35 米的空間(這個大小比原子核要小上10-10 倍)，我們會發覺，原本看來平滑的時空，其實充滿了大量不規則和隨機產生的時空扭曲，科學家稱之為量子泡沬。這些時空扭曲偶然會形成一些小型蟲洞，只要我們有無限先進的文明，或許有方法可以找到這些蟲洞，捕捉它，然後以奇異物質(註)把它擴大至可用的大小。
註：奇異物質是具有反重力特性的物質，理論上可能存在，在現實中是否存在則仍是個謎。

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方法二：
　　假若人類有無限先進的文明，我們亦可把空間扭曲，先在空間壓出一個凹洞，然後輕輕將空間屈摺，最後將凹洞底部和其下的空間同時刺穿，再把另端空間縫合起來，產生一個蟲洞。
＊其他有關黑洞的理論或新發現：
　　另外為了觀察黑洞的行為，科學家正在考慮用加速器來製造迷你黑洞的可能性。
　　黑洞在一般的認知中，是個會將一切事物吸入的物體。不過黑洞除了吸入物質外，在事相地平面(event horizon)附近，因為時空極度的扭曲，黑洞本身也會噴發出許多的正反粒子對。這時有些粒子甚至可能發生其中之一再次被黑洞吸回去的情形，而剩下的粒子便會以被稱為霍金輻射(Hawking radiation)的方式噴發出來。
　　科學家對現在正在瑞士日內瓦製造的加速器LHC很有興趣，因為他們認為可能可以用強作用力在10^19GeV的情形下來模擬黑洞的情形。
　　Stanford大學的Savas Dimopoulos跟Brown University的Greg Landsberg表示，經由質子質子對撞所產生黑洞的機會大約是產生頂夸克機率的十分之一以下，產生的速度大約是一秒鐘一個。不過這種方式產生的黑洞的生命其相當短，而且將會以霍金輻射爆發的方式蒸發掉。根據最後所爆發出來的霍金輻射的形式，科學家將可以了解其他空間維度的可能存在方式。
　　不過大家更關心的應該是會不會這個小黑洞也把我們給吃掉呢？科學家表示，這個黑洞存在的時間大約是10^-17秒，應該還來不及吸收物質就已經蒸發掉了。
　　美國物理學家說，歐洲核子研究中心正在建造的大型強子對撞機于２００５年建成后，有可能制造出大量微型黑洞，幫助理論物理學家研究物質和時空的一些基本性質。
　　大型強子對撞機建成后將是世界最大的粒子加速器，可以用它長達２７公里的環形隧道加速粒子，然后使它們相撞，創造出與宇宙大爆炸之后萬億分之一秒時的狀態類似的條件。
　　美國斯坦福大學和布朗大學的兩位科學家在最新一期美國《物理評論快報》上說，大型強子對撞機還可能以每秒１個的速度制造大量極為微小的黑洞。黑洞是把大量質量壓縮在極小空間里形成的引力場極強的天體，在它附近的一個區域內，連光也無法逃脫。
　　黑洞通常是由龐大的恆星在生命結束之后自我坍縮形成的。兩位科學家認為，大型強子對撞機能把大量能量壓縮在很小的空間里，也會形成黑洞。這種黑洞的體積還不到一個原子核的百萬分之一，只能生存很短的時間。
　　一般說來，物質只能掉進黑洞，而不能離開。但英國物理學家霍金曾經預言，黑洞會以一種特殊輻射的形式“蒸發”。對由恆星形成的普通黑洞來說，這一過程極為緩慢。但大型強子對撞機制造的微小黑洞，它們的消逝可能會像雪花消融一樣容易。
　　霍金關于黑洞“蒸發”的理論從未得到証明，但科學家說，用大型強子對撞機尋找這種“霍金輻射”，有希望為該理論提供事實依據。
　　此外，有關實驗結果還可能為研究時空構造提供線索。許多關于宇宙早期狀態的理論認為，時空可能不僅僅包括我們平時感知的三維空間和一維時間，還有更多的維度存在。據認為，黑洞的“霍金輻射”強度與黑洞的質量，與額外的時空維數有關。
「黑洞沒有毛髮」原理：
　　十年之前，我們相信黑洞是一個很簡單的物體，三個物理參數─質量、角動量和電荷─便決定了它的一切，兩個黑洞只要它們這三個參數相同，物理特性便完全一樣，黑洞最初由甚麼物質所造成是無關宏旨的，由於黑洞是這樣「單純」，光禿禿沒有甚麼特徵，所以天文學家謔稱「黑洞沒有毛髮」。對於真正的黑洞，由於它強大引力離子化附近的物質，然後把自己中和，所以應該沒有黑洞是帶電的。但我們最近發現，在非常特殊的條件下，黑洞可能有其他可觀測的物理特性，由於這牽涉高深物理，在這裡不再作進一步的探討。
＊結語：
　　現在對於黑洞的瞭解已經可以由理論以及觀測的證據來解釋，已經有很多人相信在我們銀河系的中心存在著一個超大型的黑洞，而黑洞的型態也越來越多樣化了，除了大型小型的黑洞外，在霍金的理論中，黑洞是會蒸發的，其能量會逐漸減少，而放出高能的電磁波，而實際的觀測上也有觀測到可能是霍金蒸發黑洞的候選者，所以在黑洞的理論已經獲得不錯的成果。
　　在白洞方面也還只停留在假設的階段，只是理論上產生的一個必然的結果而已，但相關理論也發展的不少了。
　　不過蟲洞的理論到也發展的蠻迅速的，藉由量子力學，以及一些最新的理論，已經對蟲洞有蠻深的瞭解了。理論上蟲洞是個可以連結不同時間空間的通道，他一邊的入口是黑洞，另一邊出口是白洞，可以在轉瞬之間從一的時空點到達另外一個時空點，於是空間中的瞬時移動，以及時間上的時光旅行，在蟲洞中可以成真。有理論指出在非常微小的尺度裡，藉由真空能量的機率變化，隨時都有可能產生超小型的蟲洞，或許在實驗中我們可以捕捉或者創造出蟲洞，所以我們期待在實驗及理論上能有重大的突破，或許時光旅行的時代不遠了
感想:
篇野比我簡呯咁了解左黑洞﹑白洞同蟲洞之間既關係