楠木軒

既然黑洞看不透,為什麼中心不是物質,而是奇點?

由 敖學農 發佈於 科技

粒子與維度

要搞清楚黑洞內部是什麼,我們先要搞清楚物質是什麼?

零維為點,一維為線,二維為面,三維為體。在我們的世界中所見的物質都是三維的。

我們熟知物質是由原子構成的,在更小的尺度上你會發現原子核中的質子與中子中還存在更小的粒子。

這些基本粒子都是零維的點粒子,我們可以歸納為兩類:

一種是具有靜態質量的粒子費米子,例如電子、組成質子的三個夸克。

一種是靜態質量為零的粒子玻色子,例如光子、膠子。

它們之間的本質區別在於粒子本身固有的角動量不同,費米子自旋是半整數值,例如電子的自旋為正負1/2,玻色子自旋是整數值,例如0、正負1、正負2,因此它們有着不同的分工以及不同的量子狀態。

費米子是組成物質的最基本結構,而玻色子則是費米子間傳遞能量的粒子,或者説承載力的粒子。

根據泡利不相容原理,費米子不能佔據相同的量子態,因此會出現量子簡併壓力。不過,實際上它並非是力,也不需要任何玻色子進行能量傳導,本質上是由波函數的干涉效應產生的。簡單可以理解為當一個電子快速波動時會在它所處的能級中形成對外的壓力,導致其他的費米子並無法闖入。

中子由三價夸克組成,每一個夸克(費米子)自旋都為半整數,它們相加之後的必然為半整數,因此呈現出費米子的狀態,形成了中子簡併壓力。

黑洞的形成

星雲的聚集的因素有很多:

附近超新星爆發,衝擊波擾動了本位較為分散,密度較低的星雲形成了高密度區,它就像一個旋渦的泉眼,快速吞噬着周圍的星雲,聚集成恆星的雛形。

也可能是較為温和的,隨着時間的流逝,飄蕩的星雲,某一處慢慢聚集出現了高密度的星雲集合體。

又或者是遠處飄來一顆流浪的天體,打破了星雲的平衡。

總之物質開始聚集,質量越來越大,引力也越來越大,感受最深的是內部被擁擠的物質,高温高壓下,達到了核聚變的條件,“點燃”了這顆天體,核聚變反應向外釋放能量,抵擋了引力給予物質的壓力,使恆星停止縮小,不斷嚮往釋放光和熱。

最初的核聚變反應主要是氫原子核聚變,核心內部的氫會“越用”越少,聚變成的元素序號更高的氦。如果恆星的質量足夠大,使得內部的壓強可以達到元素週期表序號越高的元素的核聚變的條件,核聚變就會繼續下去。如果達不到條件,那麼當恆星只能靠原子本身的量子力來抵抗引力坍縮,在電子簡併壓(下面會講)下恆星會形成一顆穩定的白矮星。

一般來説大質量恆星,內部温度足夠高,核聚變反應會一直聚變到Fe(鐵)。而鐵往後的聚變反應釋放的能量小於聚變所吸收的能量,也就是核聚變再也無法為抵抗引力提供能量,只能依靠電子簡併壓力來抵抗引力的坍縮,如果鐵核的質量超過1.44個太陽質量,那麼電子量子態就無法抵擋引力坍縮,它會被壓入原子核中與質子結合成中子,這樣的天體我們叫它中子星。

如果核心質量超過3個太陽質量,那麼中子簡併壓也會崩塌,天體進一步收縮,形成黑洞。那麼黑洞中的物質又會發生什麼變化呢?

黑洞內的物質是什麼?

如果我們換一個角度來看,整個中子星實際上就像一個超級大的原子核,只不過這個核中只有中子,沒有質子,靠着中子間的量子簡併壓力苦苦支撐着。如果中子都抵擋不住,我們能想到的是這個巨大的原子核崩塌,當中間簡併壓力消失,中子內部的三個夸克能否依靠僅剩的強力(膠子、強相互作用)保持夸克間的能量傳遞?

愛因斯坦的《狹義相對論》描述了靜態質量為零的粒子以光速沿直線傳播,膠子也是靜態為零的基本粒子。《廣義相對論》描述了引力是時空幾何彎曲所呈現出的一種現象,當遠處的星光沿着直線傳播到大質量天體所形成的扭曲時空時,光就會發生偏轉。由此我們可以知道扭曲的時空可以改變玻色子的運動軌跡,這就是奇點形成的關鍵因素。

黑洞的視界領域內一片漆黑,任何以光速運動的光子都無法從視界領域內逃脱。這説明視界內的時空極度扭曲,所有空間路徑最終都聚向中心。

我們可以想象一個畫面,一艘船在平靜的海面上,突然遇到一個旋渦,如果它加足馬力,使船擁有的足夠的速度,或許能逃離旋渦。然而時空的旋渦是絕望的,當你進入黑洞極具扭曲的空間會發現視線所及方向都是旋渦的中心,當加足馬力的作用反而是讓你更靠近時空的旋渦中心。

時空的扭曲擾亂了膠子與夸克間相互作用的路徑,即使是強力維持它原本的作用,它也找不到向外的方向,無法為夸克提供“排斥”的能力,因此僅剩的夸克-膠子複合結構也會崩塌,以零維的形式進入中心的“深淵”,這些零維的粒子在中心聚集成一個奇點。也有科學家認為:或許因為角動量它們可能會組成一個一維的圈,無法聚集成一個點,但也並非為一團物質,物質的結構不存在。