黑洞史話06
每次仰望星空，總覺得那些閃爍的星辰背後藏着無盡的祕密。但你知道嗎？就在上世紀 60 年代，天文學家們真的在宇宙深處揪出了一個“怪物”——一個亮度超過整個星系幾百倍，卻比太陽系還小的神祕光點。更讓人抓狂的是，當時的物理學完全無法解釋：這麼小的東西，能量從哪來？讓我們一起走近這段追尋“宇宙怪物”真身的旅程，看看這個謎題是如何一步步被解開的。

宇宙燈塔的現身：3C 273之謎

上期我們說到，馬爾滕·施密特發現了一個神祕的射電源 3C 273，它的種種令人匪夷所思的現象，就像一顆炸彈，在 1963 年的天文學界掀起了滔天巨浪。

3C 273：哈勃太空望遠鏡於 2003 年拍攝的圖像

消息像野火一樣在各大天文臺和大學的物理系裏傳開：施密特在宇宙深處發現了一個神祕的射電源，它遠在 20 億光年之外，並且正在以光速 16% 的高速遠離我們！然而，真正令人感到匪夷所思的是，這個射電源，不是什麼神祕物質，也不是什麼新的物理學，它就是一團我們再熟悉不過的物質——氫原子團。

這個發現，在很多當時的天文學家看來，簡直比“發現外星人”還要令人震驚。因爲它背後隱藏着一系列當時物理學完全無法解答的致命問題。首先，是能源問題：一個天體的亮度超過了整個銀河系數百倍，它那小小的身體裏，到底藏着一個什麼樣的“中央引擎”？我們已知的、最強大的能量來源是恆星內部的核聚變，但即便是把整個星系的氫都拿來燒，也遠遠不夠。其次，是尺度問題：天文學家很快發現，這些類星體的亮度變化極快，有的甚至在幾天之內亮度就會發生巨大改變。這意味着，這個巨大的能源核心，尺寸竟然比我們的太陽系還要小！換句話說，這就相當於把一整個星系的能量，給塞進一個比太陽系還小的空間裏。這到底是個什麼樣的怪物啊，這個現象，在當時已經超出了所有天文學家的想象。甚至連最大膽的天文學家，也覺得這是一件匪夷所思的事情，令人難以置信。

這個謎團，就像一朵烏雲，籠罩在所有天文學家的心頭。

但是，充滿好奇的科學家們其實最喜歡的就是謎團，因爲有了謎團，纔有研究的動力。可以說，人類的科技文明就是被一個又一個宇宙之謎驅使着前進。

3C 273 的謎團就像一聲驚雷，炸響在沉寂了二十多年的天體物理學界。天文學家們意識到，他們可能真的在宇宙中，看到了一個“怪物”。而要解釋這個怪物，他們被迫翻開了故紙堆，重新審視那個在二戰前夜，由奧本海默和斯奈德所預言的、被所有人遺忘了的……持續的引力坍縮。

更加有意思的是，3C 273 不是孤例，很快，一個又一個跟 3C 273 很像的射電源被發現，天文學家們突然發現，在宇宙中，這樣的怪物到處都是。這種神祕的射電源被命名爲“類星體”。意思是它看起來像一顆星，但肯定又不是一顆星，不知道它到底是什麼，只好先把它叫做“類星體”。

4 個類星體齊聚

類星體就像一根針，狠狠地刺痛了整個理論物理學界。它用一種不容置疑的方式宣告：宇宙中存在着一種我們完全不瞭解的能量轉化機制。

能量之謎：質能轉化的極限挑戰

要理解這個能量之謎有多麼棘手，我們得先引入一個概念，叫做“質能轉化效率”。簡單來說，它衡量的是一個物理過程能把多少物質的“質量”（m）徹底轉化成純粹的“能量”（E）。根據愛因斯坦的著名方程 E=mc²，哪怕是一點點質量，也能轉化成極其巨大的能量。

我們熟知的恆星發光，是靠核心的核聚變，但核聚變的質能轉化效率其實非常低，只有大約 0.7%。也就是說，1000 克的氫，只有 7 克轉化爲了能量。即便是人類造出的最強大的氫彈，其效率也和這個差不多。用這個效率去解釋類星體的亮度，是遠遠不夠的。

在這個謎題的發源地，也就是加州理工學院的咖啡廳裏，關於類星體的激烈的爭論幾乎每天都在上演。下面這場討論雖然是我虛構的，但他們討論的內容卻都是真實的。你現在可以想象，我要放一個文字小短片了：

幾位年齡各異的天文學家圍坐在咖啡廳的一個角落裏，幾聲寒暄過後，話題自然而然就引向了類星體。

“一個遠在 20 億光年之外的光點，亮度卻超過了整個銀河系所有恆星的總和！這絕對不可能！”一位年長的天文學家激動地揮舞着手中的菸斗，“施密特的計算一定哪裏搞錯了，如果他的計算沒有錯，那就是哈勃定律在那麼遠的距離上根本不適用！”

旁邊年輕的學者直搖頭，他反駁說：“數據是不會騙人的，如果施密特的計算錯了，難道阿倫·桑德奇的計算也錯了嗎？他獨立驗證了另一顆類星體 3C 48 的紅移量，結論也是一樣的。我覺得，我們必須接受這個事實，我們要做的是，怎麼解釋它。”

年長的天文學家立即提高了音量，接過話頭：“解釋？說得倒是輕巧，我就問你，什麼東西能產生如此巨大的能量？恆星核聚變只有可憐的 0.7% 的轉化率，這點能量，哼，連給類星體‘點菸’都不夠！”

那位年輕的天文學家一時語塞：“我要是現在就知道，那我們還討論個什麼勁兒。”

突然，一個聲音響了起來：“我倒是有一個解釋。”

大家一看，居然是那位永遠只是坐着聽，幾乎從來不開口插話的人在開口說話。他的聲音雖然不大，但石佛開口，總是令人分外驚奇，於是大家瞬間安靜了下來，聽他說道：“各位，也許我們都想錯了方向。我們一直在想怎麼‘燒掉’物質，但如果……我們不是燒掉它，而是利用它‘掉下去’的力量呢？”

“掉下去？這什麼鬼啊！”年長的天文學家皺起了眉頭，“你是說什麼掉到哪去？”

“我說的是，物質掉進一個引力的無底洞裏去！你們知道奧本海默 20 多年前的那篇論文嗎？假如奧本海默先生預言的那種坍縮成一個點，引力極強的天體真的存在。物質一旦靠近它，就會被吞噬，但是，在被吞噬前，引力會把物質撕碎並加速到接近光速，形成一個熾熱的‘吸積盤’。這個過程，本質上就是將物質的引力勢能，轉化爲輻射能。它的質能轉化效率必定極高！”

年長的天文學家若有所思地點點頭，說：“這個倒是可以算一算，到底有多高。”

“我已經算過了。”

“多少？”

“5.7%，比核聚變的效率高了接近一個數量級！”

年輕的天文學家驚呼道：“哇，這麼高！”

年長的天文學家冷冷地說了一句：“不夠，還是不夠。類星體放出的能量比這還要大！”

整個咖啡廳再次陷入了沉思。引力，這個看似已經找到的方向，似乎依然差了那麼一口氣。

類似這樣的討論，也發生在很多地方，沉睡的理論巨人，終於被觀測的號角喚醒。廣義相對論的研究，從一個無人問津的“養老院”，一躍成爲了物理學中最熱門、最前沿的領域。可惜的是，愛因斯坦此時已經去世，他沒有看到自己的廣義相對論再次成爲物理學的中心。

時空漩渦中的答案：克爾解與能層

所謂衆人拾柴火焰高，1963 年還沒過完，類星體的能量轉化謎題被一位來自新西蘭的數學家羅伊·克爾（Roy Kerr）破解。

羅伊·帕特里克·克爾

大家回憶一下之前我們講的史瓦西的故事，史瓦西在 1915 年算出的，是一個不旋轉的、完美球體的解。這是一個最最理想化的時空，但遺憾的是，天文學家們很快就意識到，史瓦西時空在現實宇宙中幾乎是不存在的，因爲我們所能觀測到的所有天體都在旋轉。這就意味着，一個坍縮的恆星，會因爲角動量守恆而越轉越快，就像一個花樣滑冰運動員在旋轉時收緊手臂一樣。

講到這裏，又出現了一個可能讓你感到困惑的術語——角動量守恆。你可以把“角動量”簡單理解成一個物體“轉動的量”，它由物體的質量、旋轉半徑和旋轉速度共同決定。角動量守恆定律是物理學中最基本的定律之一，它說的是：一個旋轉的系統，如果沒有受到外部的力矩，也就是沒有被從外面推或拉着轉，那麼它總的“轉動的量”是不會變的。

現在想象一個花樣滑冰運動員，她張開雙臂，慢慢地旋轉。這時候，她的旋轉半徑很大，旋轉速度比較慢。當她突然把手臂收回到胸前時，她的旋轉半徑一下子變小了。爲了保證總的“轉動的量”（角動量）不變，她的旋轉速度就必須猛地加快！這就是我們看到的，運動員收緊手臂後會飛速旋轉的原因。

這裏又要插一句，物理學中所謂的定律，它的本質就和我們之前介紹過的原理是一個意思，它也是一種物理學家們共同相信的假設。雖然是假設，但迄今爲止，我們沒有觀察到任何反例。

恆星的坍縮也是完全一樣的道理，而且要極端得多！一顆巨大的恆星，在它生命的末期，半徑可能有幾百萬甚至上千萬公里，它本身也在緩慢地自轉，可能幾天甚至幾個月才轉一圈。當它發生引力坍縮時，它的半徑會急劇地縮小到只有幾十公里——這相當於把一個摩天輪瞬間壓縮成電風扇！就像滑冰運動員收緊手臂一樣，爲了保持角動量守恆，這顆恆星的殘骸就必須以一種令人難以想象的速度瘋狂地旋轉起來，可能一秒鐘就能轉上千圈！

克爾利用他高超的數學技巧，在廣義相對論的理論框架下，把一個高速旋轉的引力坍縮體周圍的質能分佈和時空結構給算了出來，用科學的語言來說，就是找到了這個時空的精確解。這個解就被後人稱爲“克爾解”。

克爾解，第一次向我們展示了一個更真實的“宇宙怪物”是什麼樣的。它不再是一個簡單的時空凹陷，而是一個高速旋轉的、拖拽着整個時空一起旋轉的巨大漩渦。在它的周圍，存在一個被稱爲“能層（Ergosphere）”的奇特區域。在這個區域裏，任何物體都無法保持靜止，它會被旋轉的時空強行拖着一起轉動，就像被捲入了一個無法逃離的宇宙級龍捲風。

克爾解的發現，讓理論模型向現實邁進了一大步。如果說史瓦西的解像一張靜態的、標明瞭“此處有瀑布”的警告牌，那麼克爾的解，就是一段動態的、展示了瀑布周圍所有致命漩渦和激流的影像記錄。它讓物理學家們不再只是知道那裏有危險，而是開始理解這個危險區域的動態結構和運行規律。

但是，有趣的是，克爾本人只是醉心於解開廣義相對論那迷宮般的方程式，他並不知道，自己的這個解竟然解決了困擾無數天文學家的類星體能量來源之謎。

克爾解一經公佈，馬上就有天文學家敏銳地意識到，克爾的發現，恰好就是解開類星體能量來源之謎的鑰匙。打個比方來說，物質在掉進一個旋轉的克爾引力坍縮體之前，會被捲入那個能量巨大的時空漩渦裏，就像被扔進了一個甩幹機中，物質被瘋狂地甩起來，物質中蘊含的能量就好像衣服中蘊含的水一樣，會被“榨”出來！經過計算，這個過程的質能轉化效率，最高可以達到一個驚人的數字：42%！這相當於是核聚變質能轉換效率的 60 倍。

而這個數字，完美地解釋了類星體那不可思議的亮度。理論和觀測，終於嚴絲合縫地對上了。

類星體明亮的光線

從“坍縮體”到“黑洞”

現在，觀測上，有類星體這個巨大的謎題等着被解釋；理論上，有克爾的旋轉解作爲更真實的模型。那個奧本海默所稱的“完全引力坍縮體”，已經從一個令人嫌棄的宇宙怪物，變成了一位被理論物理學家們競相追逐的明星。

不過“完全引力坍縮體”這個名稱被很多物理學家們所不喜，尤其是當時一位著名的理論物理學家，他的名字叫約翰·惠勒。

約翰·惠勒 John Wheeler

惠勒是二戰後美國引力物理研究的“教父”。他出生於一個圖書管理員家庭。在二戰期間，他曾與偉大的尼爾斯·玻爾並肩作戰，深入研究核裂變的奧祕，也是曼哈頓計劃中的關鍵人物之一。但戰爭結束後，當大多數物理學家都投身於高能粒子物理的熱潮時，惠勒卻以他獨有的遠見和熱情，在普林斯頓大學重新扛起了廣義相對論這面幾乎被遺忘的大旗。他是一位天生的“教師”，他的課堂充滿了激情與哲學思辨，吸引了一大批日後將名震天下的天才學生，比如理查德·費曼、基普·索恩等等。他熱情、不羈，熱愛用簡潔而富有衝擊力的詞語來概括深刻的物理思想。我們之前提到的那句名言：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動，就是他的傑作。惠勒早就對“完全引力坍縮體”這個又長又拗口的官方名稱感到厭煩，他曾抱怨說：“這名字聽起來就像一輛快散架的卡車！”

1967 年，在紐約的一次天體物理學會議上，惠勒正在激情四射地講述着宇宙中神祕的完全引力坍縮體。當他再次爲那個拗口的名稱而感到惱火時，臺下的一位聽衆突然喊了一句：“爲什麼不叫它‘黑洞’（Black Hole）呢？”

惠勒瞬間被這個詞擊中了。

黑洞！

他後來回憶說，這個詞就像一道閃電，簡單、有力，又帶點邪惡的詩意。“黑”，因爲它強大的引力，連光都無法逃脫，所以它本身是絕對黑暗的；“洞”，因爲它是一個單向的膜，任何東西都只進不出，像一個通往未知的無底洞。惠勒立刻抓住了它，並在隨後的演講和文章中，像一個推銷員一樣，不遺餘力地推廣這個新名字。

“黑洞”這個名字，像病毒一樣迅速傳播開來，很快就佔領了物理學界和公衆的想象力。當然，也有例外。法國物理學家就很不喜歡這個名字，因爲在法語的俚語中，黑洞這個詞有點不雅。有個比較容易理解的類比就像是中文中的“小姐”，它原本是一個很嚴肅、正經、得體的詞，但不知道從什麼時候開始，在老百姓的俚語中，它成了“性工作者”的代名詞。“黑洞”在法語中的地位就很像中文中的小姐，在正式的詞典中，它的含義很正常，但在俚語中，它的含義有點污。

不過，對於絕大多數國家的科學家而言，這真的是一個好名字。這個簡潔傳神的名字成爲科學傳播的最佳催化劑。從此，物理學家們終於有了一個共同的、清晰的目標。他們不再是去研究一個拗口的理論概念，而是去尋找宇宙中真實存在的——黑洞。

聽到這裏，你可能會想類星體不就是黑洞，這不就已經算是找到了嗎？不是，類星體只是一盞有可能是被黑洞點亮的燈泡，它不是黑洞本身。如果不能真正找到黑洞的本尊，那類星體的能量轉化之謎還是隻能停留在猜想上。

可問題來了，黑洞不發光，不反射光，本身是完全看不見的。直接用望遠鏡去看，無異於在黑夜中尋找黑暗。所以，黑洞不可能直接被看到。那該怎麼辦呢？

天文學家爲此頭疼不已。時光飛逝，一晃就來到了 1970 年。

這一年的 12 月 12 日，肯尼亞的海岸邊，一枚火箭搭載着一顆名爲“烏呼魯”（Uhuru，斯瓦希里語中意爲“自由”）的 X 射線探測衛星，呼嘯着升空。它的任務，就是去繪製第一張全天的 X 射線源分佈圖。

在馬里蘭州的戈達德太空飛行中心，以諾貝爾獎得主裏卡爾多·賈科尼爲首的團隊，正緊張地接收着衛星傳回的數據。一天，一位年輕的研究員指着屏幕上的一處數據，驚奇地喊道：“裏卡爾多，快來看！天鵝座方向的這個 X 射線源……它在閃爍！”

裏卡爾多·賈科尼湊了過去。屏幕上，那個編號爲“天鵝座X-1”的信號，正在以毫秒級的速度劇烈地、毫無規律地閃爍着。

“毫秒級的閃爍……”賈科尼的眉頭緊鎖，他立刻意識到了這個數字背後隱藏的驚人信息。作爲一個天體，它的亮度變化速度不可能比光橫穿其自身所需的時間更快。比如說，如果一個天體需要 1 秒鐘才能整體變亮或變暗，那它的尺寸至少有 1 光秒（約 30 萬公里）那麼大。而毫秒級的變化，意味着這個發出 X 射線的天體，其尺寸小得驚人，甚至比地球還要小！一個比地球還小的天體，卻能發出如此強烈的 X 射線？這太不可思議了！

“去查一下那個天區，”賈科尼立刻下令，“看看那裏有沒有什麼可見的光學對應體！”

很快，消息傳了回來：在天鵝座X-1 的位置上，確實有一顆星星，那是一顆巨大的、明亮的藍色超巨星。