讀古今文學網 > 黑洞與時間彎曲 > 巨人 >

巨人

42年後,飛船減速來到「巨人」的鄰近。你們的頭上是類星體3C273,兩股燦爛的藍色噴流正從它的中心射出;1下面就是「巨人」那黑暗的無底洞。落在「巨人」外的一個軌道上,你做了些常規測量,證實了它的確具有15萬億個太陽質量;另外,它旋轉很慢。從這些數據,你算出它的視界周長是29光年。現在,你終於找到你嚮往的黑洞了!你能到它的鄰近去探險,而不會遭遇難以忍受的巨大潮汐力和火箭加速度。既然探險有了安全保障,你決定飛船整體下降,不再只憑一個太空艙。不過,在飛船下降前,你命令船員拍攝一些照片:頭頂巨大的類星體,「巨人」周圍數萬億顆恆星,天空中幾十億個星系。他們還拍了在下面的「巨人」的黑洞圓盤,像地球看到的太陽那麼大。乍看起來,黑洞似乎擋住了所有來自它背後的恆星和星系的光;但仔細看時,你的船員發現,黑洞的引力場像一個透鏡,2恆星和星系的光偏轉繞過視界的邊緣,在黑洞圓盤邊緣又被聚焦成一條明亮的細環。每一顆朦朧的恆星在環上都有幾個像,一個是從黑洞左翼繞過的光線產生的;另一個是從右翼繞過的光線產生的;第3個是被吸引到繞黑洞的軌道的光在你的方向上發出時形成的;第4個是繞黑洞兩周後跑出來的光線形成的,等等。結果,光線形成一條結構高度複雜的環,為了將來的研究,船員們拍攝了大量的細節照片。

照片拍好後,你命令卡麗絲開始啟動飛船降落。但是,你還得耐心一點,黑洞引力太強,你們以1g加速、減速,需要13年才能到達你們計劃的1.000 1視界周長!

飛船落下來了,船員們又拍了些照片,記錄飛船周圍天空的變化。最引人注目的變化是,飛船下面的黑洞圓盤長大了:慢慢地越來越大。你想,它會像巨大的黑色地板鋪滿你的腳下,然後停下來,頭上還是像地球上明朗的天空。但黑盤子仍然在長大,從飛船周圍升起,遮蓋了一切,只留下頭上一道明亮的圓形光路,你能從它看到外面的宇宙(圖P.4)。你彷彿走進一個洞穴,越陷越深,只看見光亮的洞口在遠處越來越小。

你越來越害怕,向DAWN求救:「卡麗絲是不是把我們的軌道算錯了?我們是不是陷入黑洞視界了?我們要完了嗎?!」

「提克哈依,提克哈依,」她安慰你,「我們沒有危險,我們還在視界外面。黑暗籠罩整個天空,不過是黑洞引力的強烈透鏡作用。看那兒,我指的地方,差不多就在頭頂上,那是星系3C295。你下落之前,它還在水平的位置,離天頂90°。但是在這兒,『巨人』的視界附近,黑洞引力強烈作用在來自3C295的光線上,使它們從水平偏轉到幾乎垂直,結果,3C295就出現在我們頭上。」

圖P.4 飛船漂在黑洞視界的上方,光通過那些軌道從遙遠星系來到視界。黑洞引力使光線向下偏轉(「引力透鏡效應」),飛船上的人看見所有的光都匯聚成頭上的一個圓形亮點。

你放心了,繼續下降。工作台顯示了飛船經過的徑向(向下)距離和通過你們位置的繞黑洞的圓軌道的周長。剛開始時,每徑向下落1千米,軌道周長減少6.283 185 307…千米,周長減少與半徑減小的比為6.283 185 307千米:1千米,它等於2π,這正是歐幾里得的標準圓周公式所預言的。但是現在你的飛船鄰近視界,周長減小與半徑減小的比比2π小得多:在10倍視界周長處,它是5.960 752 960;2倍處,是4.442 882 938;1.1倍處,是1.894 451 650;1.01倍處,是0.625 200 306。只有在彎曲空間裡,才會出現與你在十幾歲時學的標準歐幾里得幾何相差如此巨大的偏離;你現在看到的是愛因斯坦廣義相對論所預言的與黑洞的潮汐力相伴的曲率。3

在最後階段,卡麗絲需要費越來越大的力量才能靠火箭使飛船的降落速度慢下來,終於,飛船來到1.000 1個視界周長的軌道,憑著10g的向上加速度克服了黑洞強大的引力,靜靜地漂在視界的上方。它下落最後1公里時,周長只減小0.062 828 712千米。

船員們忍著10個地球重力的痛苦,拿出望遠鏡攝影機,投入周密的攝影工作。除了你們周圍有一點兒因為下落氣體碰撞生熱而產生的微弱輻射外,要拍攝的電磁波都在頭頂那個亮點裡。那亮點很小,直徑只有3弧度,是從地球看到的太陽大小的6倍。10但細看下去,那兒是圍繞著「巨人」的所有恆星和宇宙中所有星系的像。出現在亮點正中心的星系是真正在頭頂上的。從中心到邊緣的55%,是像3C295那樣的星系的像,假如沒有黑洞的透鏡效應,它們應該在水平位置,離天頂90°。從這裡到邊緣的35%,是在黑洞另一邊,即在我們正下方的那些星系的像。最外面的30%,是每個星系的第二次像;而最外面的2%,是第3次像!同樣奇怪的是,所有恆星和星系的顏色都是假的。你知道的某個星系本是綠色的,而現在它似乎閃爍著微弱的X射線:「巨人」的引力把這個星系的輻射引向你們,使它增大了能量,波長從5×10-7米(綠光)減到5×10-9米(X射線)。同樣,類星體3C273的外緣,你知道原來發射波長為5×10-5米的紅外輻射,現在看到它閃著波長為5×10-7米的綠光。11

完整記錄了頭上的亮點後,你們開始關心飛船的內部。你們幾乎都以為,在這黑洞附近,物理學定律會有某些改變,而這些改變也會影響每個人的生理。情況並不如此。你看大副卡麗絲,她顯得很正常;再看二副布裡特,他也很正常。你們握握手,你也感覺正常。你喝一杯水,除了10g的效應外,也跟平常一樣。卡麗絲打開氬離子激光器,跟過去一樣,它發出明亮的綠光;布裡特發出一束紅色激光脈衝,測量它從激光器到鏡子然後返回所用的時間,再根據測量計算光的速度,結果與地球實驗是絕對一樣的:每秒299 792千米。

船裡的一切事情都正常,彷彿它就停在一個具有10g重力的大質量行星表面。假如不向外看飛船頭上那個怪異的亮點和周圍吞噬一切的黑暗,你不會知道——或幾乎不會知道,你正在一個黑洞視界的鄰近,而完全不是在某個行星的表面。飛船裡的時空跟外面的一樣也會被黑洞彎曲,通過足夠精確的測量,你可以測出它的曲率,例如,你可以測量頭腳之間的潮汐拉伸。但是,儘管時空曲率在視界300萬億千米周長的尺度上起著巨大作用,在你那1公里的飛船尺度上,它的效應卻小得可憐。曲率在飛船兩端產生的潮汐力只是地球引力的百萬億分之一(10-14g),而你頭腳間的力還要小1 000倍!

這種正常也是值得留意的。為了進一步認識它,布裡特從飛船放出一隻太空艙,為了測量光速,讓它帶著脈衝式的激光器和反射鏡。太空艙落向視界時,儀器測量了光脈衝從艙頭的激光器到艙尾的反射鏡然後返回的速度。太空艙的計算機把計算結果通過激光束傳冋飛船:「每秒299 792千米;299 792;299 792…」當太空艙離視界越來越近時,回來的激光的顏色也從綠移到紅到紅外到微波、無線電波……,但所載信號都是一樣的:「299 792;299 792;299 792…」然後,激光消失了。太空艙越過了視界,它裡面的光速在它下落時也從來沒有發生過改變,決定它那些電子系統運行的物理學定律也沒有任何改變。

你對這些實驗結果非常滿意。在20世紀初,愛因斯坦曾宣告(他主要從哲學上考慮),局部的物理學定律(即定律所在區域很小,可以忽略時空曲率)在宇宙中應該是處處一樣的。這個宣言被尊為物理學的一個基本原理:等效原理。4在後來的世紀裡,等效原理常常經受實驗的檢驗,但它還從來沒有經歷過像你們在「巨人」視界鄰近做的實驗那麼生動而徹底的檢驗。

10個地球重力令你和你的船員們疲憊了。於是,你們準備航行的最後一步,回銀河系。在航行之初,船員會把你們的「巨人」探險報告發回去;由於飛船很快也會近光速旅行,所以,從地球看來,報告會比飛船早一年到達銀河系。

飛船升起離開「巨人」的時候,你的船員仔細用望遠鏡研究了頭上的類星體3C273(圖P.5)。5從類星體中心射出兩股巨大的尖尖的熱氣體噴流,300萬光年長。將望遠鏡瞄準中心,你們看到了噴流的源泉:一個厚厚的熱氣體環,大小不足1光年,黑洞在環的中心。這個被天體物理學家稱為「吸積盤」的環一圈圈地繞著黑洞。船員們測量了它的旋轉週期和周長,推測黑洞質量是20億(2×109)太陽質量,比「巨人」小7 500倍,但遠遠大於銀河系裡的任何黑洞。在黑洞引力作用下,氣流從環流向視界;接近黑洞時,你們會看到以前不曾見過的現象:氣流像龍捲風一樣繞著黑洞盤旋——黑洞一定在快速旋轉!旋轉軸很容易確定:氣流漩渦的軸就是黑洞旋轉的軸。你發現,兩股噴流是沿著轉軸射出來的。它們就在視界的南北兩極生成,從黑洞的旋轉和氣體環中汲取能量,6就像龍捲風從大地捲起塵埃。

你很奇怪,為什麼「巨人」與3C273有那麼大的不同:為什麼質量和尺度都大1000倍的「巨人」沒有環繞的氣體圈和巨大的類星體噴流?布裡特經過長時間的望遠鏡觀測,找到了答案:每過幾個月,就會有一顆在環繞3C273的小黑洞的軌道上的恆星墜向視界,被黑洞潮汐粉碎;恆星內約1個太陽質量的氣體便噴射出來灑落在黑洞周圍,在內摩擦力驅動下,慢慢進入氣體環。這些新來的氣體源源不斷地補充著落進黑洞和噴流的氣體。於是,氣環和噴流總保持著豐富的氣體來源,能持續地發光。

圖P.5 類星體3C273:氣體環(「吸積盤」)包圍的一個20億太陽質量的黑洞,沿黑洞旋轉軸射出兩股巨大噴流。

恆星當然也會墜向「巨人」,布裡特解釋。但是,「巨人」遠遠大於3C273,它視界外的潮汐力太弱,不可能粉碎任何星體。恆星會完全被巨人吞沒而不能噴出內部的氣體形成環。因為沒有氣體環,巨人也就無法產生噴流和其他類星體的劇烈現象。

你的飛船繼續上升,遠離「巨人」的引力。你計劃著回家的航行。冋到銀河系的地球時,距你們離開已經40億年了。人類社會一定發生了巨大變化,你們不想回去了。你和船員決定在一個旋轉黑洞的周圍開闢一塊空間。你們知道,像3C273中的黑洞的旋轉能可以為類星體噴流提供動力一樣,一個小黑洞的旋轉能也可以作為人類文明的能源。

你不想在某個黑洞看到已經有人在它周圍建設了文明,所以,你的飛船沒有飛向已經存在的快速旋轉的黑洞,而是飛向某個恆星系統,在你到達不久,那兒會誕生新的快速旋轉的黑洞。

你們離開地球時,銀河系獵戶座星雲裡有一個雙星系,由兩顆相互環繞的30個太陽質量的恆星構成。DAWN已經計算了,在你們去「巨人」時,那兩顆恆星應該發生坍縮,分別形成一個24個太陽質量的無旋轉黑洞(6個太陽質量的氣體在坍縮中噴射出去了)。現在兩個黑洞正相互環繞著,像一個雙黑洞系;在環行中,它們會發出潮汐力的振蕩(「時空曲率」的波動),也就是引力波。7像射出的子彈對槍有反衝作用一樣,引力波也會對黑洞產生反衝,引力波反衝能減緩黑洞不可避免的螺旋下落的過程。你們稍稍調節一下飛船的加速度,就能趕上那螺旋下落的最後一幕:幾天以後,你會看到兩個黑洞無旋轉的視界在繞著對方不停地旋轉,越靠越近,越轉越快,最後連在一起,形成一個更大的有漩渦的旋轉視界。

原來的兩個黑洞不旋轉,不能作為你開拓的有效能源,不過,新生的這個快速旋轉的黑洞卻是很理想的!

[1] 第9章。

[2] 第8章。

[3] 第2,3章。

[4] 第2章。

[5] 第9章。

[6] 第9,11章。

[7] 第10章。