黑洞概念來自相對論

 黑洞

黑洞概念來自相對論 最早提出黑洞概念的人，是二百多年前的劍橋學者約翰‧米契爾（John Michell, 1724-1793）。雖然在他那個時代只有牛頓的絕對時空概念，但他依然在 1783 年提出與黑洞有關的想法－－當一個物體的脫離速度大到無限大的時候，就連光線也無法逃離它的吸引力。米契爾把想像中的星體稱為「暗恆星」。

1790 年，數學家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace, 1749-1827）利用牛頓力學公式演算，希望能找到隱形的恆星。奇怪的是，他所用的計算方法是錯誤的，但得到的答案卻是對的。不過這也沒啥大礙，因為在往後的一百多年中，人們對於黑洞依然沒能說出個所以然來。

這個情形直到愛因斯坦廣義相對論出現，把重力想像成一種「由時空彎曲所造成的萬有引力」後，大家循著這個邏輯推導才建立起黑洞的基本概念。

更有意思的是，有一個叫做史瓦茲（Karl Schwarzschild, 1873-1916）的人，竟然從超困難的愛因斯坦方程式中解出一個解，後來才知道，這個解可以用來描述一個不旋轉黑洞（史瓦茲黑洞）的時空結構。緊接著，另一個叫克爾（Roy Kerr, 1934-）的人發現了會旋轉的黑洞。至於黑洞的名稱，則是約翰‧惠勒（John Wheeler, 1911-）在 1967 年提出的，且在那以後的 70 年代，就是人類研究黑洞的黃金時代。


黑洞不黑還很亮
黑洞不但不黑而且還很亮，可能的原因主要有兩個。一是根據 1974 年霍金的黑洞蒸發理論，他把廣義相對論與量子力學合併思考，即根據量子效應，黑洞的表面看上去應該會有物質往外面跑，這就是黑洞輻射。循這推衍，黑洞會被慢慢蒸發。可惜科學家看到黑洞輻射的機率微乎其微，因為小如一個太陽質量的黑洞，它的表面溫度是10⁻⁸K，想要觀測如此低溫的景象，本身就是一個高難度的極限挑戰。更何況，這個黑洞如果被蒸發，需要 10⁶⁴ 年，這又是另一個遙不可及的極限時間。

黑洞很亮的第二個可能原因和重力位能的釋放有關。當物質遭受重力吸引朝黑洞跑去時，因為角動量的影響，這些物質會在黑洞外圍形成一個吸積盤。

由喀卜勒（Johannes Kepler, 1571-1630）的行星運動三大定理可知，當各個氣體繞著黑洞跑時，它的每一個半徑轉速不一樣，這又表示，吸積盤上的兩兩氣體環會互相摩擦，有摩擦就有熱，一旦熱到一定程度就會發射Ｘ光。這些由重力位能轉化成的熱能，會把吸積盤內的氣體（因為非常熱所以任何固體都會被汽化）熱化成電漿。如果吸積盤裡有磁場，電漿可能被加速到接近光速，形成我們觀測到的高能噴流。

另外，有些黑洞會旋轉，有旋轉就有旋轉能量，這些能量也可能被旋轉磁場抽出來放到吸積盤上去，隨即又被轉換成噴流的能源。且當物質掉進一個旋轉非常快的黑洞時，它會把總能量的 42％ 釋放出來。這些快速變化的能量，讓黑洞變得非常光亮。如此說來，我們該用什麼工具觀測黑洞比較好呢？那些散落在宇宙中的黑洞，是不是也有大小等級的分別呢？