在科學(xué)研究中，科學(xué)家每次發(fā)現(xiàn)新的自然現(xiàn)象或提出新的科學(xué)概念，都會(huì)創(chuàng)造專有名詞來命名。命名好了，可幫助理解。復(fù)雜的現(xiàn)象、艱深的概念會(huì)因?yàn)橹庇^易懂的名字而讓人銘記。有些科學(xué)名詞引人入勝，激起人們的好奇心和探索欲。如果命名不好，會(huì)讓人或產(chǎn)生誤解，或望文卻步。本文將對宇宙學(xué)（Cosmology）與天體物理（Astrophysics）中一些廣為人知的物理名詞作一番“咬文嚼字”，細(xì)究其詞義，探討背后的物理含義。

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學(xué)院）

宇宙大爆炸不是爆炸

宇宙（Universe）是指空間與時(shí)間（Spacetime）的總和，包含了時(shí)空中所有的物質(zhì)和能量。英文Universe一詞含有Unique（即唯一）的意思，也就是說只有一個(gè)宇宙，宇宙包含了一切。

物理學(xué)中有多重宇宙（Multiverse）理論，該理論認(rèn)為存在多個(gè)相互獨(dú)立的平行宇宙（Parallel Universe）。然而，這僅僅是一個(gè)基于數(shù)學(xué)邏輯的假設(shè)，無法在真實(shí)世界中被證實(shí)。

我們身處其中的宇宙起源于距今約137.8億年前的一次大爆炸（The Big Bang）事件。大爆炸理論是目前公認(rèn)的最可靠的宇宙起源說。令物理學(xué)家確信大爆炸理論的最重要證據(jù)是宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background）。已有大量觀測結(jié)果證實(shí)，來自宇宙所有方向的微波都有一個(gè)穩(wěn)定的背景溫度——2.7開爾文。這個(gè)背景溫度是宇宙大爆炸預(yù)留下來的。

哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果表明，宇宙中所有天體都正在相互遠(yuǎn)離。宇宙中任意一處的觀測者都能得出其它天體遠(yuǎn)離自己的結(jié)論。對這個(gè)事實(shí)的一個(gè)合理解釋是宇宙空間在膨脹（Expanding）。隨著空間變得越來越大，處在空間中的天體就會(huì)相互遠(yuǎn)離。三維空間的膨脹不好想象，用二維空間來舉例。在一個(gè)氣球上任意標(biāo)記兩個(gè)點(diǎn)，然后把氣球吹脹。隨著氣球的膨脹，表面積越來越大，這兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的距離就越來越遠(yuǎn)。三維空間也是同樣的道理。

既然現(xiàn)今的宇宙在膨脹，那么時(shí)間反演，越早期的宇宙，空間就越小。由此可以推斷，在最初的宇宙中，所有的物質(zhì)和能量都聚集在一個(gè)極小的空間，稱為奇點(diǎn)。宇宙正是從這個(gè)極小的奇點(diǎn)開始不斷膨脹，經(jīng)歷了約137.8億年，才形成我們今天的宇宙。

圖1. 宇宙膨脹示意圖。從大爆炸起，宇宙不斷膨脹，經(jīng)歷了約137.8億年。｜ 圖源：Wiki

宇宙大爆炸的意思是說，宇宙從一個(gè)極小的空間開始在極短的時(shí)間內(nèi)極速膨脹（Expansion）。這與人們所熟知的炸彈爆炸（Explosion）不是一回事。不管是化學(xué)物品的爆炸還是核彈的爆炸，都是指物質(zhì)或能量在空間中迅速往外擴(kuò)散，而宇宙大爆炸則是指整個(gè)宇宙空間本身在迅速膨脹。英文里的Bang這個(gè)詞是指爆炸的聲音，顯然也沒能抓住本質(zhì)。不管怎樣，英文的The Big Bang與中文的宇宙大爆炸這個(gè)詞都已被人們廣泛接受并使用。

黑暗時(shí)期沒有可見光

宇宙大爆炸開始之后，空間迅速膨脹，溫度迅速降低。在最初的1萬億分之一秒內(nèi)，四種基本相互作用先后分離出來。在隨后的10秒鐘內(nèi)，各種基本粒子先后形成。有些基本粒子傳遞相互作用，而另一些基本粒子則在大約17分鐘（1000秒）內(nèi)構(gòu)成原子核。

由于大部分粒子都已與反粒子發(fā)生湮滅，在接下來約37萬年的時(shí)間里，宇宙的能量主要以光子（Photon）的形式存在。此時(shí)的宇宙中含有一大團(tuán)由原子核、電子和光子構(gòu)成的高溫高密的等離子體。光子頻繁地與原子核、電子這些帶電的粒子發(fā)生碰撞，因此光子的平均自由程很短，導(dǎo)致宇宙不透明。雖然有光子，但不能被觀測到。

大爆炸后約1.8萬年，宇宙中的溫度開始下降到電子可以被原子核捕獲，形成原子，這個(gè)過程稱為復(fù)合（Recombination）。約37萬年時(shí)，復(fù)合過程結(jié)束，宇宙中形成了大量中性原子。以氫原子為主，也有少量的氦原子。復(fù)合過程產(chǎn)生的原子起初處于激發(fā)態(tài)，然后很快就從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，以光子的形式釋放出能量。這個(gè)釋放光子的過程稱為光子退耦（Photon Decoupling）。與帶電粒子不同，中性原子與光子的相互作用非常小，加上宇宙的密度繼續(xù)降低，因此光子的平均自由程幾乎變?yōu)闊o限。也就是說，此時(shí)的光子可以在宇宙中通行無阻，宇宙變得透明。

從氫原子退激釋放出來的光子的波長在可見光波段，是黃橙色的。由于宇宙空間在膨脹，對于地球上的觀測者來說，光源朝著遠(yuǎn)離自己的方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)多普勒效應(yīng)（Doppler Effect），當(dāng)這些光子傳到今天的地球時(shí)，產(chǎn)生了紅移（Red Shift），即波長變大，從可見光變成了微波，這就是今天地球上觀測到的宇宙微波背景輻射。這也是目前人類能觀測到的最早的宇宙事件。

這個(gè)時(shí)期，從理論上說還有另一個(gè)種機(jī)制可以產(chǎn)生微波輻射，即氫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)（Hyperfine Structure）能級(jí)之間的量子躍遷，釋放出波長為21厘米的光子。由于此時(shí)宇宙中存在大量的氫原子，因此21厘米光譜線（21 Centimeter Line）應(yīng)該是可以被觀測到的。如何探測21厘米光譜線是目前的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域。

從大爆炸后37萬年到數(shù)億年這個(gè)時(shí)期，對于今天地球上的觀測者來說，雖然可以觀測到微波輻射，但觀測不到可見光（Visible Light），因此這個(gè)宇宙時(shí)期被稱為“黑暗時(shí)期”（Dark Ages）。直至大爆炸后數(shù)億年，第一代恒星（Star）誕生，恒星發(fā)出可見光，宇宙才開始有了光明，黑暗時(shí)代結(jié)束。

超新星爆發(fā)不誕生新星

第一代恒星未曾被直接觀測到，僅僅是在理論上推測其為非金屬星。這是因?yàn)?，宇宙大爆炸過程產(chǎn)生了氫和氦，但沒有產(chǎn)生金屬元素。與通常所說的金屬不同，在天體物理中把比氦重的元素統(tǒng)稱為金屬元素。

恒星內(nèi)部發(fā)生大量氫核聚變（Fusion），由聚變提供能量來抵抗引力坍縮。聚變不斷把氫變成氦。對大質(zhì)量的恒星，當(dāng)其核心的氫被耗盡，外殼的氫開始發(fā)生聚變，這會(huì)使得恒星體積逐漸增大，直至變成紅超巨星（Red Super Giant）。如果恒星核心的質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限，由于電子簡并壓力無法抵抗引力，核心將會(huì)突然坍縮。坍縮的過程中產(chǎn)生巨大的爆炸，將恒星的大部分物質(zhì)高速向外拋出，這個(gè)過程稱為超新星爆發(fā)（Supernova）。超新星爆發(fā)產(chǎn)生的能量足以使一些較輕的非金屬元素聚變成較重的金屬元素。含有金屬元素的拋射物為下一代恒星的形成提供了原料。

第一代恒星的壽命一般短于數(shù)百萬年，死亡時(shí)通過超新星爆發(fā)產(chǎn)生少量金屬元素。這些金屬元素和氫、氦一起成為構(gòu)成下一代恒星的元素，因此第二代恒星含有少量金屬。第二代恒星的壽命為數(shù)億或數(shù)十億年，其中有些恒星死亡時(shí)通過超新星爆發(fā)產(chǎn)生了更多的金屬元素。第三代恒星在形成過程中利用了這些金屬元素，因此富含金屬。我們熟悉的太陽就是第三代恒星。

超新星爆發(fā)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁輻射，發(fā)出亮度極高的可見光，并可能持續(xù)數(shù)周、數(shù)月、甚至數(shù)年。超新星的英文名稱為Supernova，其中nova在拉丁語中是“新”的意思，即是說，新出現(xiàn)一顆亮星。事實(shí)上，這顆恒星早就存在了，只因其亮度突然大幅增強(qiáng)才被地球上的觀測者發(fā)現(xiàn)，因而曾被人們誤認(rèn)為是出現(xiàn)了一顆新星。

一個(gè)有名的超新星爆發(fā)例子是SN 1054，它的遺跡形成了蟹狀星云（Crab Nebula）。公元1054年，中國、阿拉伯和日本天文學(xué)家都有記錄此次超新星爆發(fā)?！端问贰ぬ煳闹?第九》記載：“至和元年五月己丑，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲余稍沒。”《宋會(huì)要》中記載：“嘉祐元年三月，司天監(jiān)言：‘客星沒，客去之兆也?！?，至和元年五月，晨出東方，守天關(guān)，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日。”

圖2. 哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的蟹狀星云。蟹狀星云是超新星爆發(fā)的遺跡，由膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成殼狀結(jié)構(gòu)。｜ 圖源：Wiki

黑洞是洞嗎？

超新星爆發(fā)剩余的恒星核心繼續(xù)坍縮，巨大的壓力導(dǎo)致質(zhì)子吸收電子，轉(zhuǎn)變成電中性的中子。恒星核心最終形成由中子構(gòu)成的致密天體，稱為中子星（Neutron Star）。一般中子星直徑只有大約10公里，比一個(gè)城市還小。中子星就像是個(gè)巨大的原子核，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球上常見的由原子構(gòu)成的物質(zhì)。中子星上的一小杯物質(zhì)的質(zhì)量超過地球上所有人類的質(zhì)量總和。

如果恒星核心的質(zhì)量足夠大，將會(huì)繼續(xù)坍縮至小于史瓦西半徑，最終形成黑洞（Black Hole）。黑洞的引力場是如此之強(qiáng)，以至于物質(zhì)和電磁波（包括可見光）都不能逃逸出來。不能逃逸的區(qū)域邊界稱為事件視界（Event Horizon）。

1916年，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西在求解愛因斯坦的廣義相對論方程時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)具有黑洞特征的解。在20世紀(jì)初期，物理學(xué)家對黑洞的稱呼是引力坍縮天體（Gravitationally Collapsed Object）。1960年代，美國物理學(xué)家羅伯特·迪克（Robert Dicke）首次使用“黑洞”來描述這種天體。后來由于廣義相對論宗師約翰·惠勒（John Wheeler）的推廣，黑洞這個(gè)術(shù)語才被學(xué)術(shù)界廣泛采用。（編者注：關(guān)于黑洞名稱由來，讀者亦可參見
https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/1811.06587）

事件視界外部的觀測者無法直接觀測到黑洞。通過觀測黑洞附近的天體運(yùn)動(dòng)，按引力作用反推，可間接證實(shí)黑洞的存在。當(dāng)星際物質(zhì)被黑洞吸收時(shí)，形成高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤，發(fā)出強(qiáng)烈的電磁波，因此，圍繞在黑洞周圍的吸積盤是可以被觀測到的。在吸積盤中心的事件視界是一個(gè)不發(fā)光的球狀區(qū)域，從外界看來像是一個(gè)洞。

黑洞的中心是一個(gè)密度無限大的奇點(diǎn)（Singularity）。黑洞里面的時(shí)空高度扭曲，所有物質(zhì)都向中心的奇點(diǎn)墜落。有些理論認(rèn)為視界內(nèi)部大部分空間是空的。若果真如此，黑洞里真有“空洞”。由于從外界觀測不到黑洞內(nèi)部，其真實(shí)情況仍是一個(gè)未解之謎。

圖3. 2019年4月10日發(fā)布的史上第一張黑洞照片，通過事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）觀測到。｜ 圖源：Wiki

類星體與類星不同

最后來看與黑洞相關(guān)的兩個(gè)容易混淆的名詞——類星體（Quasar）與類星（Quasi-star）。

20世紀(jì)五六十年代，天體物理學(xué)家觀測到了一些從遙遠(yuǎn)宇宙空間傳來的無線電波，但起源令人費(fèi)解，于是將其描述為類恒星無線電波源（Quasi-stellar Radio Sources）。發(fā)出這些無線電波的天體則被稱為類恒星天體（Quasi-stellar Objects），縮寫為Quasar，中文翻譯為類星體。然而，后續(xù)的研究表明，類星體是正在被超大質(zhì)量黑洞吸收的星系（Galaxy），實(shí)際上與恒星（Star）并不類似。

類星體活躍的高峰時(shí)期在大約100億年前，也就是說，類星體距離地球100億光年以上。當(dāng)時(shí)宇宙中有些星系恰好接近黑洞，在黑洞強(qiáng)大的引力作用下，星系中的物質(zhì)高速旋轉(zhuǎn)墜落，形成吸積盤，巨大的能量以電磁輻射的形式釋放出來（見圖4）。這個(gè)過程產(chǎn)生的光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何恒星的光度，這使得類星體成為宇宙中最明亮的天體之一，即使在遙遠(yuǎn)空間的類星體也能被地球上的人類觀測到。

圖4：類星體的假想圖（并非望遠(yuǎn)鏡觀測照片）。｜ 圖源：webbtelescope.org

與類星體（Quasar）不同，類星（Quasi-star）則是指一類在宇宙早期形成的假想恒星。與現(xiàn)代的恒星不同，類星的中心有個(gè)黑洞，因此它的另一個(gè)名稱是黑洞星（Black Hole Star）。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)一顆恒星坍縮成黑洞時(shí)，如果恒星外殼擁有足夠大的質(zhì)量，大到可以吸收坍縮產(chǎn)生的能量而不發(fā)生超新星爆發(fā)，就會(huì)形成一顆類星。質(zhì)量如此大的恒星，只可能在氫和氦還未聚變成金屬元素的宇宙早期才會(huì)存在，即可能在第一代恒星中存在。

作者簡介

陳少豪，清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士，清華大學(xué)原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校博士后研究員，先后在路易斯安那州立大學(xué)、波士頓大學(xué)任職，現(xiàn)就職于麻省理工學(xué)院，從事高性能計(jì)算工作。

本文受科普中國·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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