黑洞是怎樣練成的？

自從寫了上一篇關於《Interstellar》物理的文章後，有些同學對黑洞感到莫大的興趣，紛紛詢問到底黑洞是什麼東西，或問黑洞被証明了嗎？其實黑洞真的不是東西，就是因為什麼東西都不是才很黑嘛！這叫人怎樣解釋呢？物理跟數學不太一樣，數學有沒有可以用証明的，物理要靠觀察，觀察到就存在，觀察不到也不能說不存在（時候還沒到嘛），這樣說好像搞物理的很狡猾，其實不是的。

話說小弟為什麼非唸物理不可就是因為小學某天家父打開報紙指著一大大篇的文章說：「找到黑洞啦！」問什麼是黑洞，他說就是什麼都吸進去，出不來。頓覺這個黑洞十分有趣，從此走上對物理不離不棄的不歸路。看來，我也有責任把黑洞傳承下去。這次的討論還是以文青或非理工科系同學作為對象，文中古典、量子穿越，會家子莫吐糟。

黑洞其實是星星的歸宿（講難聽一點是墳墓）。讓我更正一下，是很大的星星的歸宿。我們這裡所說的星星是會發光的恆星，像我們的太陽；地球、土星或都敏俊的那顆 KMT184.05 不發光的行星一輩子就是長這樣，不會變的。好吧，我們就以太陽為例。

太陽會發光是因為核熔合反應，有別於我們熟知核電廠用的核分裂反應（鈾-235 受中子撞擊後分裂成較小原子及能量），是由氫熔合成氦再繼續熔合成更重元素，其間放出巨大的能量。這種不斷熔合成更重元素如果條件許可的話，可以一直熔合成鐵（當然中間經過好些過程）。鐵是能量最低的元素，不能再熔合下去了。若星球的重量不大（像我們的太陽），它的歸宿就是個大鐵球。若某星球核熔合的能量燒完了後剩下的重量還有太陽的1.4 倍，那就不得了啦。因為這麼重的一顆會從大鐵球轉化為中子星。中子星是什麼呢？

原子是由中子、質子、跟電子組成。中子跟帶正電荷的質子組成一個很小的原子核，同樣數量帶負電的電子（原子是電中性，所以質子跟電子數目必須相等）在外圍轉，跟地球繞著太陽轉一樣。如果燒完了的大鐵球超過太陽的1.4 倍重，這麼大的重力就會把鐵原子的外圍電子壓縮到原子核去。結果就是電子跟質子結合成中子（正負中和），放出中微子跟能量。一般的星球走到這一步就不容易了，必須要夠大。而且，變成中子星的過程十分激烈，很多質量都會因為爆炸而飛走，剩下的不多。不過，一顆星全是中子，光想到就覺得很有趣不是嗎？

中子星之所以能維持其體積是因為泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），這個原理就是費米粒子（Fermion）不能有兩顆處於同樣的態（state）。態的意義用古典的方式來說就是所有的物理參數了。 而中子、質子、電子等都是費米子，所以物理讓中子星裡的所有中子不能再壓在一起。

如果中子星的重量很大（約兩個太陽大），重力會連泡利不相容原理都違反，直接把中子們都壓縮在一起，成為黑洞。這就是為什麼說物理在黑洞裡不再成立。

由於連光都跑出不來，我們實在不清楚黑洞裡長什麼樣，電影裡看到的都是導演的想象。

至於黑洞是否真的存在？黑洞很黑嘛，當然沒法說出我就在這裡這種話。我們靠的是間接証據，譬如看到其他星體掉進去黑洞前因為摩擦所噴出的 X-ray 或是一些星體繞著它轉很快（黑洞質量太大了）等。我們目前觀測到比較有名的黑洞是天鵝座 X-1 跟人馬座 A。

看到這，有沒有想讓你的小朋友去唸物理呢？很容易的，從小跟他講黑洞就可以啦。

星際效應（Interstellar）物理 Q&A

幾個星期前，香港報紙三不五時有專欄文章談論《星際效應》，回來那天明報副刊有一整版的討論，這麼吸引？文青凱倫說這片看掉她一包紙巾；坐對面的丹尼爾一直問看了沒，說有多個問題要討論。跟同事打了個沒有勝算的選舉盤，以為看了個三小時，輸贏就有定論；沒想到邊看電影邊分心關注票數，真不該。

坦白講，這部電影裡面很多物理專業術語，而且不是每個都會像蟲洞般解釋，我們這些天天在想的就算了，一般老百姓如何看得下去呢？而且，開演到今，觀眾好像不少，真希望大家都看得懂。這裡，為文青們（大學裡非理工科系的）寫點看片指引，讓他們能了解一下上帝是怎麼 govern 這個宇宙的。

定義幾個術語：

重力（引力）：就是蘋果掉下來砸到牛頓的故事。凡有重量就會有重力，重力跟重量成正比，跟距離平方成反比。太陽很重，所以地球圍著它跑。地球也很重，所以月亮圍著地球跑。

空間彎曲：物質重量在古典物理裡產生重力。愛因斯坦發現廣義相對論，物質重量會使空間彎曲。舉例說，本來光是沒重量的，不會被重力吸引。但因為空間彎曲的原因，光的路徑也會受影響，看似光被重力吸引過去。

時間變慢：時間變慢有兩個原因。狹義相對論裡運動速度愈快時間過得愈慢。廣義相對論裡重力愈大時間過得愈慢。所以，在太陽表面時間過得比地球慢（當然，太陽表面人活不了，而且慢不了多少）。

黑洞視界：重力會把空間彎曲，重力很大很大時會把空間拉穿，就成為黑洞。離黑洞很遠重力比較小，東西逃跑速度夠快的話還是可以逃離；靠太近則怎麼跑都跑不掉。我們就用逃逸速度為光速的這個距離作為黑洞的大小，稱為視界。視界是個不錯的名詞，因為連光都逃不掉表示裡面發生什麼事我們看不到（光到不了我們眼睛），就是視線能到的界限。

接下來就可以回答同學們的問題了：

Q：真的有蟲洞嗎？

A：蟲洞理論上可行，是由兩個黑洞互接而成。但我們連黑洞裡有啥東西都沒看清又怎知道有沒有蟲洞呢？

Q：木星旁邊真的有蟲洞嗎？

A：蟲洞必須由黑洞組成，除非是很小、不會自轉、不帶電荷的原始黑洞，否則木星旁邊有黑洞可真是件大事啊！怎會不知道呢？

Q：Miller’s 行星為什麼會有大海嘯？

A：地球的潮汐是由於被繞著地球轉的月球吸引而來的。Miller’s 行星就在黑洞旁，它的水被很強的重力吸引，由潮汐變成海嘯。

Q：Miller’s 行星的大海嘯為什麼一個多小時就來一次？

A：這有兩個可能。一是Miller’s 行星自轉一小時一次。或是Miller’s 行星繞黑洞一小時走一圈。別看公轉一小時很快，黑洞的重力極大，不是沒有可能的。

Q：Cooper 掉進黑洞後看到的現象是真的嗎？

A：沒人掉進黑洞過，所以無法說是真是假，不過肯定沒這麼多東西砸向太空船。

Q：Cooper 掉進五度空間可以看到Murphy 是真的嗎？

A：人類活在三度空間，加上時間可以說是四度時空，搞出五度空間純屬唬爛。

Q：Cooper 撥動引力弦指引Murphy 是真的嗎？

A：這裡應該是暗指超弦理論的引力弦，不過這跟上面說的一樣，純粹唬爛。

這部片的物理算是札實的，是因為導演 Christopher Nolan 找了 Kip Thorne 來當科學顧問。Kip Thorne 何許人也？大磚頭《Gravitation》的作者之一。講 Stephen Hawking 的電影《The Theory of Everything》裡面提到 Thorne 跟 Hawking 打賭，結果 Throne 輸了，要請 Hawking 看一年份的《Penthouse》。黑洞物理在《The Theory of Everything》裡講得比較詳細，有興趣的文青可以看一下。感情戲文青還是比較合適的啦。

Kip Thorne 最近出了一本《The Science of Interstellar》，看完再跟大家報告。