黑洞史話 05
我們都知道，房子需要堅固的地基撐着，纔不會塌。那宇宙中的星星“死”後，靠什麼撐着，避免被自身重量壓垮呢？科學家們先是發現了一種叫“白矮星”的“支架”，但它有個承重極限，也就是錢德拉塞卡極限（回顧汪詰 | 黑洞史話 04：不符合美學的計算值）。後來，一個怪才天文學家預言了更強大的“中子星”支架。但如果…連這個宇宙中最強的“支架”也撐不住時，會發生什麼？

怪才的靈光乍現

20 世紀 30 年代的加州理工學院，是天才和怪才的聚集地。而在所有怪才之中，弗裏茨·茲威基（Fritz Zwicky）無疑是王冠上那顆最扎手的鑽石。

弗裏茨·茲威基

這位瑞士天文學家，長得像個脾氣暴躁的矮人，腦子裏卻裝着整個宇宙。他精力旺盛，想象力天馬行空，並且以一種近乎粗暴的方式蔑視所有他認爲是“平庸”的想法。同事們私下裏稱他“球形混蛋”，意思是，你從任何一個角度看他，他都是個混蛋。

唯一能忍受茲威基的人，是性格溫和沉穩的德國天文學家沃爾特·巴德（Walter Baade）。我自創一個茲威基定律：如果一個人能和茲威基合作，那這個人就可以和天下所有人合作。但一個能和天下所有人合作的人，最終也一定會和茲威基反目。

沃爾特·巴德

但即便是這樣，沒有人會否定茲威基在天文學上的天賦異稟。這一天，茲威基衝進了巴德的辦公室，他把一張剛沖洗出來的天文底片“啪”地一聲拍在桌上，震得咖啡杯都跳了起來。

“沃爾特，來看這個！”茲威基的聲音像機關槍一樣，“仙女座星系，看到了嗎？這個突然冒出來的小亮點，比它所在的整個星系加起來還要亮！這不是普通的‘新星’，這是一種全新的東西！”

巴德扶了扶眼鏡，湊過去仔細觀察。他知道，茲威基肯定是又有了什麼瘋狂的想法，他已經見怪不怪了。當時天文學家們所知道的新星，只是恆星表面的一點小規模爆炸，亮度有限。而照片上的這個光點，其亮度簡直是在向全宇宙宣告自己的死亡。

“我管它叫‘超新星’（Supernova）！”茲威基揮舞着手臂，唾沫星子橫飛，“這不是小打小鬧，這是一顆大質量恆星的‘自毀式’大爆炸！它把自己的身體炸得粉碎，只留下最核心的部分。你想想，沃爾特，當那麼巨大的質量，在引力的驅使下猛地向內坍縮時，會發生什麼？”

SN 1994D（左下方的亮點）是在星系NGC 4526的一顆Ia超新星

巴德沉思了一會兒，慢條斯理地說：“這讓我想起了錢德拉塞卡的論文，難道，它會無限坍縮下去？”

“你說的是那個印度小鬼嗎？”茲威基不屑地撇撇嘴，“這小鬼倒是有點鬼才。不過，他還是太嫩了。在無限坍縮之前，一定還有更刺激的事情發生！引力會像一隻無形的大手，把原子本身都捏碎！電子會被生生地壓進質子裏，‘噗’的一下，它們就合併了，變成了……”

巴德忍不住插嘴說：“變成中子嗎？”

“沒錯，就是中子！”

巴德倒吸了一口涼氣。把電子壓進質子？這在當時聽起來就像是鍊金術一樣瘋狂。

茲威基的眼睛裏閃爍着狂熱的光芒：“然後，整顆恆星的核心，就會變成一個由中子擠在一起組成的、巨大無比的‘原子核’！一顆‘中子星’（Neutron Star）！它的密度，會讓你的白矮星看起來像棉花糖一樣鬆軟！”

就這樣，中子星這個日後大名鼎鼎的單詞被茲威基隨口創造了出來。

然而，當茲威基和巴德在一次學術會議上提出這個猜想時，他們遭遇了和錢德拉塞卡差不多的反應，很多人認爲他們瘋了。但茲威基與錢德拉塞卡不同，別人越是不理解他，他反而笑得越大聲，他毫不在乎別人怎麼看，他只相信自己那如同野獸般兇猛的直覺。

茲威基是科學史上第一個提出暗物質，第一個提出超新星，第一個提出中子星的人，這些都是在當時被認爲是天方夜譚，但最終被證實的偉大成就。如果不是他把全世界的天文學家都得罪了個遍，他的成就足以配得上諾貝爾獎。

優雅的數學獵手

不過，當真理的石子扔進池塘，必然會激起了一圈圈漣漪。也總有敏銳的科學獵手會感受到漣漪的震動。

在離加州理工不遠的加州大學伯克利分校，就有一位無比敏銳的獵手。此時的奧本海默斜靠在椅子上，指間夾着一支即將燃盡的香菸，菸灰搖搖欲墜。他的目光並非落在窗外明媚的加州陽光上，而是投向了面前那塊寫滿了複雜方程的黑板。茲威基那充滿火藥味的猜想，和錢德拉塞卡那篇帶着海洋鹹味的、冰冷精確的論文，在他腦海中交織碰撞。一個是充滿野性的咆哮，一個是帶着宿命感的低語，但它們都指向了同一個令人不安的深淵：當引力最終撕碎所有已知的物理定律時，會發生什麼？對奧本海默而言，這不僅僅是一個有趣的天體物理問題，這還是一個關乎物理學靈魂的根本性危機。但是，他喜歡這種危機。

奧本海默

與茲威基的粗獷狂放不同，奧本海默是一位優雅、敏感、甚至有些憂鬱的知識貴族。他身材瘦削，常常煙不離手，深邃的眼神彷彿能看透物質世界的表象。如果說茲威基的武器是直覺和想象力，那麼奧本海默的武器，就是無堅不摧的數學和物理學原理。

當錢德拉塞卡的理論和茲威基的猜想傳到他耳中時，他立刻意識到，這兩者共同指向了一個物理學中最深刻的問題：物質在引力面前的終極命運是什麼？

他決定用最嚴格的理論，來正面回答這個問題。就像金庸小說中，名門正派的大宗師，面對一招邪門武功時，以不變應萬變，決定用最法度最嚴謹的內功與之抗衡。

奧本海默的思考路徑是這樣的：印度小夥錢德拉塞卡已經證明，當恆星殘骸的質量超過 1.44 倍太陽質量時，抵抗引力的“電子簡併壓”就會失效。此時，引力會毫無阻礙地繼續向內碾壓。

在這恐怖的壓力下，原子結構被徹底摧毀。引力這隻無形的大手，會強行將帶負電的電子，塞進帶正電的質子中。這個過程，後來被稱爲“逆貝塔衰變”。於是，大力出奇跡，質子和電子強行合併，變成了一個不帶電的中子，同時釋放出一個幾乎沒有質量、可以暢通無阻地穿透一切的幽靈粒子——中微子。

當恆星核心大部分的質子和電子都完成了這個“變身”後，它就成了一顆主要由中子構成的星球——中子星。

那麼，是什麼力量阻止了中子星繼續坍縮呢？答案和白矮星類似，但這一次，換了主角。中子和電子一樣，也屬於“費米子”大家族，它們同樣要遵守“泡利不相容原理”這條霸道規則。當中子們被擠在一起時，它們也會產生一股強大的斥力，這股力量，就叫做“中子簡併壓”。

講到這裏，我想插一嘴，上篇文章我們對愛丁頓進行了一番批判。其實愛丁頓的直覺也不能算完全錯，因爲“電子簡併壓”之後還有“中子簡併壓”，因此，錢德拉塞卡當時的結論確實是錯的，大於 1.44 倍太陽質量的白矮星並不會無限坍縮，到了一定程度，它就會在中子簡併壓下重新達到平衡點，成爲一顆中子星。不過，我們可以合理推測，即使當時錢德拉塞卡的推演抵達了中子簡併壓，然後再得出無限坍縮的結論，愛丁頓依然還是會用“不符合美學”這條理由來認定錢德拉塞卡的推論是荒謬的。所以，從這個意義上來說，我們對愛丁頓的批評並不爲過。

中子簡併壓比電子簡併壓要強大得多得多！它能撐起一顆質量比太陽還大，但直徑卻只有 20 公里左右（差不多一箇中等城市大小）的星球。中子星的密度，達到了每立方厘米數億噸的驚人程度。一小勺中子星的物質，就相當於地球上所有人類體重的總和！

現在，奧本海默和他最出色的學生喬治·沃爾科夫（George Volkoff）要做的，就是計算這股強大的“中子簡併壓”，它的極限又在哪裏呢？

時空囚籠的誕生

奧本海默之所以能在黑洞研究史上佔據如此重要的地位，就是因爲他們使用的武器，是愛因斯坦的廣義相對論。爲什麼必須用廣義相對論？因爲錢德拉塞卡的計算，本質上還是在牛頓引力的框架下進行的。但在廣義相對論中，引力的來源不僅僅是質量，壓力本身也是一種引力源！

聽到這句話，可能有些聽衆有點懵，怎麼壓力也會變成引力源呢？

來，我們來複習一下本系列“彎曲的時空”那一篇。還記得嗎？廣義相對論的場方程是一個等式，等式的左邊表示時空的形狀，等式的右邊是什麼？質量和能量的分佈。所以，引力並不是真實存在的力，它只是時空形狀的一種表現。能夠影響時空形狀的不僅僅是質量，還有能量。所以，能量也會表現出引力。巨大的壓力就是巨大的能量，這就是爲什麼我說壓力本身也是一種引力源。

所以，中子星內部那抵抗坍縮的巨大壓力，同時也在爲引力“添磚加瓦”，讓向內的拉扯變得更強。這是一個牛頓理論中完全沒有的“自我增強”效應。奧本海默意識到，對於中子星這種極端天體，必須考慮這種效應，否則計算就是不完備的。換句話說，錢德拉塞卡的計算確實是不完備的，只用量子力學和狹義相對論並不能得到正確的結果，必須要用到廣義相對論才能算出正確的結果。

所以，奧本海默和沃爾科夫的計算，是一場真正的“雙線作戰”。他們必須同時解兩組方程：

第一組方程，是描述中子這種量子物質的“狀態方程”。它回答的是：在給定的密度下，這羣中子能產生多大的向外的“中子簡併壓”？這就像是在評估一個建築材料（中子氣體）的抗壓強度。

第二組方程，就是愛因斯坦的廣義相對論場方程。它回答的是：在這樣的密度和壓力下，時空會向內彎曲到什麼程度？引力到底有多強？這就像是在計算建築材料的強度，如何影響整個建築（星球）的穩定結構。

你可以把這個過程想象成，他們要在一塊巨大的、柔軟的橡膠墊上，用一種有彈性的積木，去搭一座儘可能高的塔。在這裏，“積木的抗壓性”由狀態方程決定，而“橡膠墊的凹陷程度”則由廣義相對論場方程決定。奧本海默和沃爾科夫要找的，就是這座“積木塔”能夠穩定存在的最高高度——一個積木的彈性和地基的凹陷達到脆弱平衡的臨界點。

經過極其複雜的計算，他們得出了一個驚人的結論：中子星同樣存在一個質量上限！

這個極限，就是著名的“托勒曼-奧本海默-沃爾科夫極限”，簡稱爲 TOV 極限。不過，有趣的是，它的精確值直到今天，物理學家們還在爭論不休，但普遍認爲在 2 到 3 倍太陽質量之間。

換句話說，如果一顆超大質量恆星在爆炸後，留下的核心質量超過了 TOV 極限，那麼，就連宇宙中最強大的支撐力——中子簡併壓，也撐不住了。

至此，物理學中所有已知的、能夠抵抗引力的力量，都已經全部用盡。

那麼，接下來會發生什麼？

這個問題，像一個幽靈，盤旋在奧本海默的腦海中。他決定，要直面這個所有人都試圖迴避的終極問題。

他和他另一位學生哈特蘭·斯奈德（Hartland Snyder），開始着手模擬當一顆恆星的質量超過 TOV 極限後，那無法阻擋的、持續的引力坍縮過程。

這一次，他們做出了一個更大膽、也更簡潔的理想化模型：他們假設這顆恆星是一團均勻的、沒有任何壓力的“塵埃雲”。這個模型雖然簡單，卻足以抓住引力唱主角時最核心的物理本質。

在他們的計算中，一個詭異而奇妙的景象出現了。

對於一個跟隨恆星物質一同向內墜落的觀測者來說，整個過程非常迅速。他會在有限的時間內，眼看着自己和所有物質一起，被擠壓成一個無限小的奇點，然後歸於虛無。

但對於一個遙遠的、靜止不動的外部觀測者來說，他看到的景象卻完全不同。他會看到，這顆坍縮的恆星，其表面的時間流逝得越來越慢（引力時間膨脹效應）；從恆星表面發出的光，也變得越來越紅，能量越來越低（引力紅移效應）。

當恆星的半徑收縮到它的“史瓦西半徑”時，在外部觀測者看來，時間彷彿完全靜止了，光也完全紅移到了看不見的波段。這顆星，就像一部被按下了暫停鍵的電影，永遠地“定格”在了它的史瓦西半徑上，變成一個暗淡、靜止的幽靈。

這就是奧本海默和斯奈德在 1939 年得出的驚人結論。他們用愛因斯坦自己的理論，第一次完整地描繪了一顆恆星，是如何坍縮成一個連光都無法逃脫的、被時空包裹的“囚籠”的。

這篇名爲《論持續的引力坍縮》的論文，是物理學史上第一篇關於黑洞形成的現代論文。當然，這個時候，“黑洞”這個詞還沒有誕生。1939 年 9 月 1 日，這篇預言了宇宙中最極端天體的論文，在《物理評論》雜誌上正式發表。

沉睡的種子與驚雷

然而，歷史的巧合有時殘酷得像一出精心編排的戲劇。就在同一天，納粹德國的裝甲洪流越過波蘭邊境，第二次世界大戰的歐洲戰事全面爆發。

全世界的目光，瞬間從遙遠的星辰，聚焦到了地球上燃燒的城市和流血的土地。地球上的那些最厲害的物理學家，包括奧本海默自己，很快就被捲入了一場更緊急、更具毀滅性的物理學應用中——原子彈的研製。

那個關於恆星最終命運的深刻預言，那個在理論上已經被清晰描繪出來的“宇宙怪物”，它的誕生之日，恰逢人類文明陷入至暗之時。它就像一顆被遺忘的種子，在戰爭的廢墟下，開始了它漫長的、無人問津的沉睡。

就這樣過去了 24 年，直到 1963 年，第二次世界大戰的硝煙已經徹底消散。

又是加州理工學院，一個沉悶的午後。

天文學家馬爾滕·施密特（Maarten Schmidt）煩躁地在辦公室裏踱步。他的桌上，攤着一張來自帕洛馬山天文臺的底片，上面是一個編號爲 3C 273 的射電源的光譜。所謂射電源，就是宇宙中的某個點發出強烈的射電信號。射電信號就是電磁波信號，可以被射電望遠鏡接收到。射電信號也可以像可見光一樣，被分解成光譜信號。

這張光譜圖，像一份來自外星的、加密過的電報，已經困擾了整個天文學界好幾個月。那幾條明亮的發射線，不屬於任何已知的元素，它們就像是宇宙開的一個惡劣玩笑。

“馬爾滕，還在看那個鬼東西？”他的同事傑西·格林斯坦走了進來，疲憊地問。

“是啊，傑西。我感覺我的腦子要燒掉了。這東西到底是什麼？它不可能是我們銀河系裏的恆星，否則它的光譜我們早就認識了。可如果它在銀河系外，那它得有多亮，我們才能看得到？”

格林斯坦搖了搖頭，嘆了口氣：“也許，我們發現了一種全新的天體，遵循着一種全新的物理定律。”

“全新的物理定律……”施密特喃喃自語，他重新坐下，目光死死地盯着那幾條毫無規律的譜線。他拿起鉛筆，無意識地在紙上比劃着譜線之間的距離。突然，他的手停住了。一個念頭，一個瘋狂但並非不可能的念頭，像閃電一樣擊中了他。

“等等……傑西，”他的聲音有些顫抖，“如果……如果這些譜線我們都認識呢？如果它們只是普通的氫光譜線……但是被極大地拉長了呢？”

格林斯坦愣了一下：“被拉長？你的意思是……紅移？不可能！那得有多大的紅移量？那意味着它離我們遠得不可思議！”

在剛纔這段對話中，可能出現了幾個你陌生的術語。我解釋一下，氫光譜線，就是氫元素髮出的光譜線，這是科學家們非常熟悉的光譜線。光譜長得很像你在商品包裝上看到的條形碼，它有兩端。其中一端，被叫做“紅端”，另一端被叫做“藍端”。所謂的紅移，就是這條光譜線朝着“紅端”移動了一段距離。