編按：本書為霍金留給世人的 10 個大哉問與見解，期盼讀者能藉由站在霍金這位巨人的肩膀上得到更多啟發與省思。本文為大哉問之五：黑洞裡面是什麼？
白矮星、中子星、類星體，都是恆星崩陷後的產物
對一顆正常的恆星而言，壽命可以有數十億年以上，在這段生命裡，絕大多數的歲月，它都是藉由把氫轉換為氦的核融合過程所產生的熱壓力，來對抗因自身質量所產生的重力。然而，氫燃料終有燃燒殆盡的一天。此後，恆星便會開始收縮。
白矮星。圖／pixabay
在某些情況下，它能承受得住自身的重力崩陷，只是變成密度很大的一個星核，稱為白矮星。然而印裔美籍物理學家錢卓塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910-1995）在 1930 年證得，白矮星的最大質量約為太陽的一點四倍。蘇俄物理學家蘭道（Lev Landau, 1908-1968）也獨立計算出相似的數值，並把這個完全由中子組成的緻密星體，命名為中子星。
對於另外無數個質量大於白矮星或中子星的恆星，當它們在核燃料耗盡之後，命運將會如何呢？稍後以研發原子彈而著名的歐本海默（Robert Oppenheimer, 1904-1967）曾對此做了一番研究。1939 年，歐本海默與沃科夫（GeorgeVolkoff, 1914-2000）、史耐德（Hartland Snyder, 1913-1962）共同計算出：
這樣的大恆星，熱壓力將無法與自身的重力相抗衡。
再者，如果忽略這個熱壓力，一顆均勻球形對稱的星體將會收縮成一個密度無限大的點，稱為奇異點。
奇異點（Gravitational singularity）。圖／wikimedia
違反時空平坦假設的奇異點：時空曲面上的曲率無限大
然而，我們所有關於空間的理論，都是構築在「時空是平坦的」假設上，因此，這些理論都無法適用於奇異點上，因為奇異點在時空曲面上的曲率為無限大。事實上，奇異點標誌著空間與時間的終點。這就是愛因斯坦覺得非常反感的東西。
接著，第二次世界大戰干擾了後續的研究。大多數的科學家，包括歐本海默在內，都把注意力轉向核物理學，至於恆星崩陷的議題，則被大家拋諸腦後。一直到發現了類星體（quasar），科學界才又重新注意到這個問題。第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的，隨後天文學家又陸續發現許多顆類星體。
第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的。圖／wikipedia
類星體是極度明亮的活躍星系核（位於星系中心的質量密集區域），輻射出來的電磁波功率非常巨大，但是由於距離地球非常遙遠，所以在可見光波段，看起來只是「類似」星狀的微弱光點。由於類星體的靜止質量並未大量減少，但釋放出來的能量卻遠大於質能轉換的結果，因此這些能量的來源不單只是核反應而已。唯一可能的解釋是，這些能量來自重力崩陷而釋放出來的重力能。
類星體的強電磁波，能量來自重力崩陷的重力能
恆星的重力崩陷，重新成為科學研究的焦點。當重力崩陷發生時，星體的重力會把周圍的所有物質向內聚集。很顯然，一顆均勻的球形恆星，最終會收縮成一個密度無限大的奇異點。但是，如果這顆恆星不是均勻的球形星體呢？由於物質的分布並不均勻，是否會讓崩陷的過程也不均勻，從而避開奇異點的生成呢？
潘若斯在1965 年提出一篇著名的論文，僅僅根據重力只有吸引力的這個事實，證明了即使恆星不是均勻球形的星體，崩陷的最終結果仍會是一個奇異點。
潘若斯（Roger Penrose）提出宇宙審查猜想（cosmic censorship conjecture）。圖／wikipedia
愛因斯坦方程在奇異點裡，因無法定義而失效了。也就是說，對於這個密度無限大的點，我們無法預測它的未來。這意味著，每當恆星發生崩陷時，就會有詭異而未知的事情發生。只要奇異點不是「裸露」的，換句話說，有個屏蔽（即事件視界）把它與外界區隔開來，那麼無論在奇異點上發生什麼事，便都與我們無關。於是，潘若斯提出了「宇宙審查猜想」（cosmic censorship conjecture）：
所有由恆星或其他星體因崩陷所形成的奇異點，總會有一個事件視界將它隱匿起來，因而任何人都無法觀測到黑洞內部。
黑洞是一個重力極強、以致光都無法脫離的區域。宇宙審查猜想幾乎可以斷定是正確的了，因為所有希望證偽的嘗試都失敗了。
黑洞無毛？無論丟甚麼進去，看起來都一模一樣
當惠勒於 1967 年提出「黑洞」這個詞時，它取代了原先的名詞「凍星」。惠勒新造的這個詞，強調了讓人感興趣的是恆星崩陷之後的殘餘物本身，而與它的形成過程無關。這個新名詞很快就流行了起來。
從外面，你無法知道黑洞內部是何模樣。無論你朝著它丟進什麼東西，或是它原本是什麼東西、它是如何形成的，黑洞看起都一模一樣。惠勒對於這種現象，有一句著名的描述：「黑洞沒有頭髮」（A black hole has no hair，也簡稱
「黑洞無毛」）。
本文摘自《霍金大見解：留給世人的十個大哉問與解答》，天下文化，2019 年 2 月出版。
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