黑洞奇點的密度無限大,到底是由什麼元素組成的?
更新于:2025-03-26 08:02:54

黑洞之謎,要從它的核心——奇點講起。奇點是個密度無窮大、體積為零的抽象概念。但在我們一般人的理解中,黑洞似乎有確定的體積,其實那並非奇點的體積,而是由黑洞的史瓦西半徑所圍成的球形範圍。史瓦西半徑,這個與物體品質成正比的參數,不可能是微不足道的。

所謂的史瓦西半徑,是指黑洞中心的奇點到其事件視界的距離。無論是什麼物體,都有它自己的史瓦西半徑。比如地球,其史瓦西半徑微小到僅9毫米,這意味著如果地球被壓縮成一個黑洞,其事件視界的大小就只有9毫米。

事件視界,如同它的名字所暗示的,是事件的邊界。在黑洞的事件視界之內,我們熟悉的四維時空法則不再適用,那裡的情景對外部觀察者而言無法認知,其內部究竟是何景象,科學家們亦尚未明瞭。

黑洞的核心,是一個集中了黑洞全部品質的奇點。儘管黑洞的品質可能很大,也可能很小,在理論上甚至可以有大有小,但即便是一個品質只有一千克的黑洞,其密度也是無窮大的,原因在於奇點的體積是如此之小,小到可以忽略不計。

那這個體積為零的奇點,究竟由什麼構成?答案是,沒有任何已知元素能夠組成奇點,奇點甚至不屬於我們所熟知的四維時空,時間和空間的法則在奇點面前失效,這也使得科學家們猜想奇點可能來自於“超時空”或高維度的空間。

我們的認知尺度有一個最小極限,即普朗克長度,長度僅有10的負35次方量級,而電子的直徑約為10的負15次方量級,兩者相差20個數量級,可見普朗克尺度是多麼微小。對我們而言,任何小於普朗克長度的尺度都是無法理解的,因此奇點的構成對我們來說是一個謎,它並非由我們已知的任何元素構成。

不僅僅是黑洞,即使是中子星和白矮星,它們也不是由我們熟知的元素構成。例如,小品質恆星在生命末期會留下一個密度極高的內核——白矮星。我們的太陽在約50億年後也將走向這一結局。品質在0.5倍到8倍太陽之間的恆星,其終局都是白矮星。

白矮星的密度高得驚人,每立方釐米的品質可達1噸到10噸,遠超我們所知的所有元素。白矮星內部的原子已經被壓扁,核外電子不再束縛,幾乎成了自由電子,但仍保持著原子的結構。

白矮星內部的穩定是由電子簡並壓和引力的平衡來維持的,這阻止了白矮星的進一步坍縮。我們可以把白矮星看作是電子簡並態的物質。電子簡並壓,是根據泡利不相容原理,多個粒子不能處於同一量子態,這導致了電子間斥力的存在,阻止白矮星在引力作用下進一步坍縮。

再舉個例子,假設你和我是兩個微觀粒子,你喜歡獨處,當我嘗試進入你的私人空間時,你把我推開,這就是電子簡並壓的作用。然而,電子簡並壓並非萬能,也有其極限。如果白矮星通過吸積物質使其質量達到錢德拉塞卡極限,即大約1.44倍太陽品質時,電子簡並壓便無法抵禦引力,白矮星開始進一步坍縮,最終引發超新星爆炸,轉變為中子星。

中子星的構成則更為奇特,它將所有的電子都壓入原子核,與質子結合,轉化成中子,從而形成一個巨大的“原子核”,密度極高,每立方釐米的質量可達到10億噸。中子星的穩定性靠的是比電子簡並壓更強的中子簡並壓。但中子簡並壓也有極限,即奧本海默極限,大約相當於3個太陽的品質。超過這個極限,中子星會繼續坍縮,最終形成黑洞。

那黑洞又是由何種物質構成的?我們可能不能再用“物質”這個詞來描述黑洞了,因為黑洞的構成不是我們熟知的任何物質。我們無法想像,有什麼物質能被壓縮到如此微小的體積。

“無窮小”是數學領域的一個抽象概念,在實際生活中並不存在。我們所見的任何物體,無論大小,都是具體的,可以用語言來描述。而黑洞,卻無法用具體的語言來描述。人類已知的元素有118種,包括人造元素,但它們的密度與黑洞相比,簡直微不足道。

以《三體》這本科幻小說中的神秘物質水滴為例,其密度與中子星相當,儘管現實中我們尚未發現此類物質,但仍在可認知範圍內。而黑洞中心的奇點,則完全超越了我們的認知,甚至可能超出了四維時空的範疇,是真正的超時空之物。這或許正是奇點看似怪異的緣由。

正因為黑洞奇點可能源自超時空或高維度,科學家們才如此熱衷於黑洞的研究,因為一旦解開了黑洞奇點的謎團,我們可能就能打開一扇通向超時空或高維度的大門!