较真物理学名词：从宇宙大爆炸到黑洞

一、宇宙大爆炸不是爆炸        

宇宙（Universe）是指空间与时间（Spacetime）的总和，包含了时空中所有的物质和能量。英文Universe一词含有Unique（即唯一）的意思，也就是说只有一个宇宙，宇宙包含了一切。

物理学中有多重宇宙（Multiverse）理论，该理论认为存在多个相互独立的平行宇宙（Parallel Universe）。然而，这仅仅是一个基于数学逻辑的假设，无法在真实世界中被证实。

我们身处其中的宇宙起源于距今约137.8亿年前的一次大爆炸（The Big Bang）事件。大爆炸理论是目前公认的最可靠的宇宙起源说。令物理学家确信大爆炸理论的最重要证据是宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background）。已有大量观测结果证实，来自宇宙所有方向的微波都有一个稳定的背景温度——2.7开尔文。这个背景温度是宇宙大爆炸预留下来的。

哈勃望远镜的观测结果表明，宇宙中所有天体都正在相互远离。宇宙中任意一处的观测者都能得出其它天体远离自己的结论。对这个事实的一个合理解释是宇宙空间在膨胀（Expanding）。随着空间变得越来越大，处在空间中的天体就会相互远离。三维空间的膨胀不好想象，用二维空间来举例。在一个气球上任意标记两个点，然后把气球吹胀。随着气球的膨胀，表面积越来越大，这两个标记点的距离就越来越远。三维空间也是同样的道理。

既然现今的宇宙在膨胀，那么时间反演，越早期的宇宙，空间就越小。由此可以推断，在最初的宇宙中，所有的物质和能量都聚集在一个极小的空间，称为奇点。宇宙正是从这个极小的奇点开始不断膨胀，经历了约137.8亿年，才形成我们今天的宇宙。

图1. 宇宙膨胀示意图。从大爆炸起，宇宙不断膨胀，经历了约137.8亿年。｜ 图源：Wiki

宇宙大爆炸的意思是说，宇宙从一个极小的空间开始在极短的时间内极速膨胀（Expansion）。这与人们所熟知的炸弹爆炸（Explosion）不是一回事。不管是化学物品的爆炸还是核弹的爆炸，都是指物质或能量在空间中迅速往外扩散，而宇宙大爆炸则是指整个宇宙空间本身在迅速膨胀。英文里的Bang这个词是指爆炸的声音，显然也没能抓住本质。不管怎样，英文的The Big Bang与中文的宇宙大爆炸这个词都已被人们广泛接受并使用。

二、黑暗时期没有可见光        

宇宙大爆炸开始之后，空间迅速膨胀，温度迅速降低。在最初的1万亿分之一秒内，四种基本相互作用先后分离出来。在随后的10秒钟内，各种基本粒子先后形成。有些基本粒子传递相互作用，而另一些基本粒子则在大约17分钟（1000秒）内构成原子核。

由于大部分粒子都已与反粒子发生湮灭，在接下来约37万年的时间里，宇宙的能量主要以光子（Photon）的形式存在。此时的宇宙中含有一大团由原子核、电子和光子构成的高温高密的等离子体。光子频繁地与原子核、电子这些带电的粒子发生碰撞，因此光子的平均自由程很短，导致宇宙不透明。虽然有光子，但不能被观测到。

大爆炸后约1.8万年，宇宙中的温度开始下降到电子可以被原子核捕获，形成原子，这个过程称为复合（Recombination）。约37万年时，复合过程结束，宇宙中形成了大量中性原子。以氢原子为主，也有少量的氦原子。

复合过程产生的原子起初处于激发态，然后很快就从激发态跃迁到基态，以光子的形式释放出能量。这个释放光子的过程称为光子退耦（Photon Decoupling）。与带电粒子不同，中性原子与光子的相互作用非常小，加上宇宙的密度继续降低，因此光子的平均自由程几乎变为无限。也就是说，此时的光子可以在宇宙中通行无阻，宇宙变得透明。

从氢原子退激释放出来的光子的波长在可见光波段，是黄橙色的。由于宇宙空间在膨胀，对于地球上的观测者来说，光源朝着远离自己的方向运动。根据多普勒效应（Doppler Effect），当这些光子传到今天的地球时，产生了红移（Red Shift），即波长变大，从可见光变成了微波，这就是今天地球上观测到的宇宙微波背景辐射。这也是目前人类能观测到的最早的宇宙事件。

这个时期，从理论上说还有另一个种机制可以产生微波辐射，即氢原子基态的两个超精细结构（Hyperfine Structure）能级之间的量子跃迁，释放出波长为21厘米的光子。由于此时宇宙中存在大量的氢原子，因此21厘米光谱线（21 Centimeter Line）应该是可以被观测到的。如何探测21厘米光谱线是目前的一个前沿研究领域。

从大爆炸后37万年到数亿年这个时期，对于今天地球上的观测者来说，虽然可以观测到微波辐射，但观测不到可见光（Visible Light），因此这个宇宙时期被称为“黑暗时期”（Dark Ages）。直至大爆炸后数亿年，第一代恒星（Star）诞生，恒星发出可见光，宇宙才开始有了光明，黑暗时代结束。

三、超新星爆发不诞生新星        

第一代恒星未曾被直接观测到，仅仅是在理论上推测其为非金属星。这是因为，宇宙大爆炸过程产生了氢和氦，但没有产生金属元素。与通常所说的金属不同，在天体物理中把比氦重的元素统称为金属元素。

恒星内部发生大量氢核聚变（Fusion），由聚变提供能量来抵抗引力坍缩。聚变不断把氢变成氦。对大质量的恒星，当其核心的氢被耗尽，外壳的氢开始发生聚变，这会使得恒星体积逐渐增大，直至变成红超巨星（Red Super Giant）。

如果恒星核心的质量超过钱德拉塞卡极限，由于电子简并压力无法抵抗引力，核心将会突然坍缩。坍缩的过程中产生巨大的爆炸，将恒星的大部分物质高速向外抛出，这个过程称为超新星爆发（Supernova）。超新星爆发产生的能量足以使一些较轻的非金属元素聚变成较重的金属元素。含有金属元素的抛射物为下一代恒星的形成提供了原料。

第一代恒星的寿命一般短于数百万年，死亡时通过超新星爆发产生少量金属元素。这些金属元素和氢、氦一起成为构成下一代恒星的元素，因此第二代恒星含有少量金属。第二代恒星的寿命为数亿或数十亿年，其中有些恒星死亡时通过超新星爆发产生了更多的金属元素。第三代恒星在形成过程中利用了这些金属元素，因此富含金属。我们熟悉的太阳就是第三代恒星。

超新星爆发产生极强的电磁辐射，发出亮度极高的可见光，并可能持续数周、数月、甚至数年。超新星的英文名称为Supernova，其中nova在拉丁语中是“新”的意思，即是说，新出现一颗亮星。事实上，这颗恒星早就存在了，只因其亮度突然大幅增强才被地球上的观测者发现，因而曾被人们误认为是出现了一颗新星。

一个有名的超新星爆发例子是SN 1054，它的遗迹形成了蟹状星云（Crab Nebula）。公元1054年，中国、阿拉伯和日本天文学家都有记录此次超新星爆发。《宋史·天文志-第九》记载：“至和元年五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没。”《宋会要》中记载：“嘉祐元年三月，司天监言：‘客星没，客去之兆也。’初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”

图2. 哈勃望远镜拍摄的蟹状星云。蟹状星云是超新星爆发的遗迹，由膨胀的气体和尘埃构成壳状结构。

四、黑洞是洞吗？        

超新星爆发剩余的恒星核心继续坍缩，巨大的压力导致质子吸收电子，转变成电中性的中子。恒星核心最终形成由中子构成的致密天体，称为中子星（Neutron Star）。一般中子星直径只有大约10公里，比一个城市还小。中子星就像是个巨大的原子核，其密度远远大于地球上常见的由原子构成的物质。中子星上的一小杯物质的质量超过地球上所有人类的质量总和。

如果恒星核心的质量足够大，将会继续坍缩至小于史瓦西半径，最终形成黑洞（Black Hole）。黑洞的引力场是如此之强，以至于物质和电磁波（包括可见光）都不能逃逸出来。不能逃逸的区域边界称为事件视界（Event Horizon）。

1916年，德国物理学家卡尔·史瓦西在求解爱因斯坦的广义相对论方程时，发现一个具有黑洞特征的解。在20世纪初期，物理学家对黑洞的称呼是引力坍缩天体（Gravitationally Collapsed Object）。1960年代，美国物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）首次使用“黑洞”来描述这种天体。后来由于广义相对论宗师约翰·惠勒（John Wheeler）的推广，黑洞这个术语才被学术界广泛采用。（编者注：关于黑洞名称由来，读者亦可参见https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/1811.06587）

事件视界外部的观测者无法直接观测到黑洞。通过观测黑洞附近的天体运动，按引力作用反推，可间接证实黑洞的存在。当星际物质被黑洞吸收时，形成高速旋转的吸积盘，发出强烈的电磁波，因此，围绕在黑洞周围的吸积盘是可以被观测到的。在吸积盘中心的事件视界是一个不发光的球状区域，从外界看来像是一个洞。

黑洞的中心是一个密度无限大的奇点（Singularity）。黑洞里面的时空高度扭曲，所有物质都向中心的奇点坠落。有些理论认为视界内部大部分空间是空的。若果真如此，黑洞里真有“空洞”。由于从外界观测不到黑洞内部，其真实情况仍是一个未解之谜。

图3. 2019年4月10日发布的史上第一张黑洞照片，通过事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）观测到。｜ 图源：Wiki

五、类星体与类星不同        

最后来看与黑洞相关的两个容易混淆的名词——类星体（Quasar）与类星（Quasi-star）。

20世纪五六十年代，天体物理学家观测到了一些从遥远宇宙空间传来的无线电波，但起源令人费解，于是将其描述为类恒星无线电波源（Quasi-stellar Radio Sources）。发出这些无线电波的天体则被称为类恒星天体（Quasi-stellar Objects），缩写为Quasar，中文翻译为类星体。然而，后续的研究表明，类星体是正在被超大质量黑洞吸收的星系（Galaxy），实际上与恒星（Star）并不类似。

类星体活跃的高峰时期在大约100亿年前，也就是说，类星体距离地球100亿光年以上。当时宇宙中有些星系恰好接近黑洞，在黑洞强大的引力作用下，星系中的物质高速旋转坠落，形成吸积盘，巨大的能量以电磁辐射的形式释放出来（见图4）。这个过程产生的光度远远大于任何恒星的光度，这使得类星体成为宇宙中最明亮的天体之一，即使在遥远空间的类星体也能被地球上的人类观测到。

图4：类星体的假想图（并非望远镜观测照片）。｜ 图源：webbtelescope.org

与类星体（Quasar）不同，类星（Quasi-star）则是指一类在宇宙早期形成的假想恒星。与现代的恒星不同，类星的中心有个黑洞，因此它的另一个名称是黑洞星（Black Hole Star）。根据理论计算，当一颗恒星坍缩成黑洞时，如果恒星外壳拥有足够大的质量，大到可以吸收坍缩产生的能量而不发生超新星爆发，就会形成一颗类星。质量如此大的恒星，只可能在氢和氦还未聚变成金属元素的宇宙早期才会存在，即可能在第一代恒星中存在。     

（陈少豪：清华大学物理学学士，清华大学原子分子物理博士，曾为美国科罗拉多大学博尔德分校博士后研究员，先后在路易斯安那州立大学、波士顿大学任职，现就职于麻省理工学院，从事高性能计算工作。）

本文受科普中国·星空计划项目扶持

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本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：陈少豪（美国麻省理工学院）