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。