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黑洞真的會穿越時空嗎?電影《黑洞頻率》、韓劇《信號》的劇情,再也不是戲劇而已...

貓頭鷹出版
黑洞真的會穿越時空嗎?電影《黑洞頻率》、韓劇《信號》的劇情,再也不是戲劇而已...

全宇宙第一本黑洞的傳記!

黑洞是個古怪詭異的概念,是時空中的深淵──連光線都無法逃逸!科學家深信大自然不會這麼瘋狂亂來,簡直違反了所有的邏輯!

「黑洞應該隸屬奇幻神話的範疇,是吸血鬼或滴水怪的同類。」

(圖片來源:維基百科

圖說:在科幻小說、電影甚至報章媒體經常可見將黑洞作為素材。迄今,黑洞的存在已得到天文學界和物理學界的絕大多數研究者所認同,並且天文界不時提出於宇宙中觀測到已存在的黑洞。


古老格言有云:任何真理都必須經過三個階段──受奚落;引起強烈反對;最後變成不證自明。黑洞,結結實實走過這三個歷程。

重量級科學作家芭杜席雅克結合物理專業和俐落的新聞寫作,創作出宛如章回小說的科普佳構。這是關於黑洞如何引起偉大思想家如愛因斯坦、惠勒、霍金等人如何激戰、沮喪、又如何振奮的動人故事,他們的貢獻又是如何完全改變我們對宇宙的看法。

黑洞如何替愛因斯坦平反,將他最偉大的成就「廣義相對論」從歷史的陰暗角落帶回物理的亮麗舞台。

直到天文學家發現中子星和黑洞等令人驚異的現象,一度沉寂的宇宙才轉化為愛因斯坦口中的完整體系。這個充滿巨大能量的宇宙秩序,也只有透過相對論才能讓人了解。

本書出版正值相對論問世百周年紀念;2017年諾貝爾物理獎得主索恩等人,更找到了這片宇宙最重要的一塊拼圖——黑洞互撞產生的重力波。

從小道消息、鄉野傳奇到驗明正身、黃袍加身的明日之星,
只應出現在神話或科幻小說的「好主意」,果然真實存在。
尖端科學家競逐聖杯的故事還沒結束,黑洞的研究方興未艾!

「等我們認清宇宙有多奇怪時,才能明白宇宙有多簡單。」——惠勒(當代美國相對論泰斗)


 

黑洞的概念本身就很迷人,因為它不僅是令人興奮的未知,又讓人感覺潛伏著危險和狂放。來一趟想像的黑洞之旅吧!前往黑洞的外緣就像靠近尼加拉大瀑布的斷崖,我們凝望瀑布俯衝進下面翻騰的水域,卻依然高枕無憂,因為知道我們身處堅固的圍籬後,不至落入險境。不過別擔心,就算在真實世界中,最靠近地球的黑洞也在幾百光年外,謝天謝地,我們也知道我們很安全。但,因此我們也只能間接體驗黑暗天際中的冒險了。

(圖片來源:截自網路)

圖說:黑洞就像獨角獸和滴水嘴獸,更像屬於科幻小說或古代神話的領域,而不是真實的宇宙。

 

 

天體物理學家去參加雞尾酒會時,別人最常問他們的宇宙天體就是黑洞了。這很有道理:黑洞很奇特,奇特到了古怪的地步。索恩(Kip Thorne)這位任教於加州理工學院的知名黑洞專家兼理論家,寫道:「黑洞就像獨角獸和滴水嘴獸,更像屬於科幻小說或古代神話的領域,而不是真實的宇宙。」

德州大學的天體物理學家克雷格.惠勒(J. Craig Wheeler)稱黑洞是文化圖騰。他說:「幾乎每個人都把黑洞的象徵意義解讀成裂開的大口,吞噬一切,什麼都出不來。」

這樣刻板而格格不入的怪誕印象讓物理學家幾十年來都無法接受黑洞的概念,現在卻遠近馳名。有句格言很有名,大家都常引用:「所有的真理都要經過三個階段:首先,遭到奚落;第二,受到強烈反對;第三,為人接納,變成不證自明。」黑洞的概念實實在在地走過了每一個階段。

也因著黑洞,天文學家和物理學家不得不認真看待愛因斯坦最顯著的成就─廣義相對論。廣義相對論曾有一度陷入絕望的深淵。《時代雜誌》推崇愛因斯坦是「二十世紀風雲人物」,但這樣的尊號若出現在二十世紀中,科學界卻會大吃一驚。在那個時代,世界上只有幾間大學講授廣義相對論,多數人相信這套理論對物理學家來說沒有實際用途。出類拔萃的人物成群投入物理學其他領域。

一九一九年,一次知名的日食測定證實了愛因斯坦的廣義相對論,大獲全勝引發一陣激動,但熱潮過了,這位知名物理學家對重力的全新展望卻掀不起漣漪。牛頓對重力的反應正適合我們平凡的世界,這個世界各種運動的速度都不快,而且只有普通的恆星,為什麼要管廣義相對論提供的細微調整?有什麼用?批評家說:「愛因斯坦的預測跟牛頓的理論只差之毫秒,我不明白有什麼值得大驚小怪。」過了一陣子,愛因斯坦修改了對重力的看法,也似乎沒有什麼特殊的關聯。一九五五年愛因斯坦去世,廣義相對論毫無進展。專精的物理學家寥寥可數。諾貝爾得主玻恩(Max Born)是愛因斯坦相交許久的好友,在愛因斯坦去世那年,他在一場會議上承認廣義相對論「對我而言如藝品般動人,只能從遠處欣賞讚嘆」。

但事實上,愛因斯坦發明了超前當代數十年的理論。實驗測定精確度必須追上他的重力模型,但這種模型又出自純粹的直覺思維。等到科技進步,天文學家得以揭露宇宙中驚人的新現象,科學家才回頭認真看待愛因斯坦的重力觀點。一九六三年,觀察家找到第一顆類星體,這是離我們很遠的年輕銀河,中心噴發的能量等於一兆個太陽。四年後,觀察家在更靠近地球的地方無意間發現第一顆脈衝星,宛若快速旋轉的燈塔,放射出短促的無線電信號音。同時,太空中的感測器發現空中有些點會流出強大的X射線和γ射線。這些令人困惑的新信號,都精確定位出坍縮的星體,也就是中子星跟黑洞,塌陷的重力和高速的旋轉把它們轉化成特別的發電機。感測到這些新的物體後,一度歸於平淡的宇宙呈現出新的生氣;變形成愛因斯坦的宇宙,充斥著能量激烈的源頭,要用相對論才能理解。

(圖片來源:維基百科

圖說:愛因斯坦發明了超前當代數十年的理論。科技進步,天文學家得以揭露宇宙中驚人的新現象,科學家才回頭認真看待愛因斯坦的重力觀點。一

 

最後,天體物理學家發現廣義相對論更深層的美學作用,尤其在涉及黑洞的時候,他們因此領會到廣義相對論的價值。一九八三年,錢卓斯卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)去領諾貝爾物理學獎的時候說:「黑洞是宇宙中最完美的巨觀物體。」科學家渴望在理論結局中看到的,黑洞都能給:既簡而美。錢卓斯卡對觀眾說:「美,就是真相的光彩。」

廣義相對論這個領域曾有一度愜意地與世隔絕,現在卻在理論上和應用上都愈發興旺。黑洞再也不是怪東西,而是宇宙的重要成分。幾乎每個徹底發展的銀河系中心似乎都有巨大無朋的黑洞,或許,銀河系能否存在,都取決於黑洞。望遠鏡正在逐漸接近我們所在的這個銀河系中心內的巨大洞口。同時,剛設計出來的先進天文台已經能偵測到黑洞在附近的星際間碰撞時發出的時空隆隆聲─重力波。美國的相對論泰斗惠勒(John Archibald Wheeler)在自傳的謝詞裡提到:「等我們認清宇宙有多奇怪的時候,才能明白宇宙有多簡單。」

但這段路卻走了兩百多年─從一七八○年代首次有人提出黑洞的想法,一直到二十世紀後半才出現觀察到的證據。其間,這奇怪的物體在宇宙間是否存在,眾人不是置之不理,就是認真反對。可以說物理學家在心裡踢腿尖叫許久,才心不甘情不願地承認黑洞存在。

事後看來,很難了解他們為何要激烈抗爭。黑洞的想法其實很簡單。有質量,會自旋。在某些方面,跟電子或夸克一樣,很基本。但物理學家不知所措了這麼久,則是因為黑洞終極的本質:擠成一個小點的物質。因著哲學而非科學的立場,他們不希望一顆星有這樣的結果;他們深信大自然不會(也不能!)行事如此瘋狂。幾位物理學家用了半個世紀的時間逆流而上,不管瘋不瘋狂,都要推行黑洞的想法。二○一五年,廣義相對論歡慶百年時,讓我來說說這個有沮喪、有振奮、內容很豐富的故事,時而流露出幽默,訴說黑洞如何得到贊同。我不會分析黑洞的構造,也不會報告最新的天文學和理論成果。這本書要講的是關於黑洞這個概念的發展歷程。

 

本文摘自貓頭鷹出版《黑洞簡史


 大事紀

一六八七年    牛頓出版《原理》一書,發表革命性的重力定律。

一七五八年    哈雷預測會回歸的彗星於一七五八年準時來到,牛頓的重力定律獲勝。

一七八三年    英國科學家米契爾提出牛頓版本的黑洞。他算出恆星的質量重到某個程度,光線無法逸出,讓我們看不到這顆恆星。

一七九六年    法國人拉普拉斯的推論過程跟米契爾很像,他獨立指出天空中有看不見的恆星天體。

一八六二年    美國麻州的葛蘭姆發現明亮的恆星天狼星有顆暗淡的伴星。但天文學家後來很納悶,這顆星怎麼會這麼暗,但重量卻跟太陽差不多。

一九○五年    愛因斯坦發表新作,後來稱為狹義相對論,廢除牛頓對絕對空間和時間的概念。

一九○七年    數學家閔考夫斯基指出,用愛因斯坦的狹義相對論,可以把時間轉成另一個維度,因此時空是一個絕對的實體。

一九一五年    愛因斯坦提出廣義相對論,成功把相對論擴大到能處理其他類型的動作,尤其是重力。重力這時被視為出自質量,在時空有彈性的墊子上留下凹痕,物體會沿著曲線移動。

一九一六年    德國天文學家史瓦西發表廣義相對論方程式的完整解法。最後提出史瓦西球的說法,這顆球圍繞的質量集中在中心的一個點。空間和時間看似停止在球面上。那是黑洞的前身,但不帶電,也不會轉動。有些人假設史瓦西球來自特別採用的座標;有些人則確信恆星絕對不可能縮小到這種狀態。

愛沙尼亞人奧匹克算出天狼星那顆質量跟太陽一樣的伴星一定比地球大一點,所以才會這麼暗,後來英國科學家艾丁頓也提出同樣的結果。這種恆星取名為「白矮星」。

一九一九年    前往西非和巴西的英國日食探險隊確認靠近太陽表面通過的星光路徑會有點彎曲,符合太陽在時空上壓出的凹痕。廣義相對論獲勝。

一九二六年    英國理論家法洛爾使用剛成立的量子力學規則,來解釋太陽的質量壓縮到地球的大小時為什麼能變成白矮星並保持穩定。

一九三○年    在從印度前往英國的旅途中,錢卓斯卡發現白矮星的質量有上限。他不知道恆星過了這個臨界點後會怎麼樣。

一九三一年    蘇聯理論家朗道算出恆星如果夠重,會塌縮成一個點,卻認為這個結果「很荒謬」,他指出,恆星核心反而會形成「巨大的核子」。

一九三二年    英國人查兌克發現中子。貝爾實驗室的物理學家顏斯基發現銀河中心放射出的電波。電波天文學登場。

一九三三年    在美國物理學會的會議上,茲威基和巴德指出,恆星爆炸時會形成小中子星,叫作超新星。天文學家覺得這個想法匪夷所思。

一九三五年    在皇家天文學會的會議上,艾丁頓放肆無恥,質疑錢卓斯卡的結論,後者認為白矮星的密度如果過了上限,會突然縮小。

一九三九年    歐本海默跟沃爾科夫率先探查中子星的物理學,發現中子星跟白矮星一樣,質量有極限。歐本海默和史奈德發表黑洞的第一套現代說法。他們稱之為「持續的重力收縮」。歐本海默後來放棄了這方面的研究。物理學界對廣義相對論也失去了興趣。愛因斯坦出版他「最糟糕的科學論文」,想證實恆星絕不可能完全塌縮成一個點(奇異點)。

一九四八年    美國金融家巴布森提供資金成立重力研究基金會,重燃大家對重力研究的興趣(他的目的是為了研發出反重力裝置)。基金會激發科學家回頭研究廣義相對論。

一九五二~五三年        普林斯頓的物理學家惠勒在物理系第一個開設狹義相對論和廣義相對論的課程。他希望能找到物理推論,防止恆星像歐本海默和史奈德說的塌縮成奇異點。

一九五五年    愛因斯坦過世,心中相信同事們都覺得他是個「老笨蛋」,他最偉大的研究成果,廣義相對論,則遭到物理學研究的壓制。

一九五七年    北卡羅萊納大學新成立的重力研究所在教堂山舉辦會議,討論重力在物理學中的角色。這場劃時代的會議為重力研究注入活力。在國際會議上,惠勒和兩位合力研究的學生想展示內爆的恆星怎麼避開塌縮成奇異點的命運。台下的歐本海默很有禮貌地提出反對意見。

一九五八年    芬克爾斯坦為廣義相對論發展出新的參考系,以便更容易領會黑洞的物理學。物理學家也可藉此描繪塌縮的恆星為何從遠處看起來像「凍星」,但從黑洞的位置來看,恆星仍完全內爆了。克魯斯卡爾早就做了同樣的研究,但他的成果到一九六○年才發表。

~一九六○年  在高等研究院的研討會上,普林斯頓的物理學家迪克戲謔地把恆星的完全塌縮與「加爾各答的黑洞」相比;恆星完全塌縮時,重力強到沒有東西能逃得出來。物理學家丘宏義也參加了這場會議。

一九六二年    就讀普林斯頓的貝克朵夫與麥思納合作,採用芬克爾斯坦和克魯斯卡爾發展出來的新數學工具,更詳盡地描述黑洞事件視界外的太空。這是科學家第一次把黑洞描繪成真實的物體。

火箭搭載的X射線偵測器發現第一個宇宙X射線來源,天蠍座 X-1,開啟X射線天文學這個領域,後來也證實天蠍座 X-1 是雙星系統中的中子星。

一九六○年代早期  美國加州利弗莫爾國家實驗室做的電腦模擬顯示,足夠質量的恆星到了生命末期,會塌縮成黑洞。蘇聯物理學家也得出類似的結果。這些發現跟貝克朵夫的結果說服了惠勒,他反轉自己的意見,成為黑洞的擁護者。蘇聯人則一直都相信黑洞真的存在。

一九六三年    名為 3C 273 的電波恆星原來是星系裡超級明亮的核子,這個星系離我們大約二十億光年。這種天體很快就取名為「類星體」。克爾成功解開廣義相對論數十年來的挑戰:愛因斯坦的方程式就是旋轉恆星的重力場模型,而他找到了解法。第一屆德州相對論天文物理學研討會在達拉斯舉辦,想找出類星體強大動力的源頭。這場會議意義重大,科學家首次嘗試用廣義相對論解決天文物理學的問題。

一九六四年    一九六四年一月十八日出版的《科學新聞通訊》第一次印出「黑洞」一詞,這一期的內容報導美國科學促進會舉辦的年度會議,有一場的題目是天文學,討論簡併的恆星。議題的主持人丘宏義引述迪克用的這個詞,他認為太空中布滿了黑洞。

蘇聯物理學家澤爾多維奇和諾維可夫,以及在康乃爾大學獨立研究的物理學家薩匹特,都認為物質被拉向超大質量的塌縮物體時,會放出巨大的能量,在周圍形成吸積盤,類星體長足的動力或許就來自於此。

一九六五年    英國物理學家潘羅斯用理論證明重力塌縮一定會導致黑洞中形成奇異點。

一九六七年    惠勒在美國科學促進會的年度會議上發表主旨演說,用「黑洞」一詞來描述重力塌縮的物體。他的講詞在一九六八年出版,科學界接納這個術語,成為正式名稱。

英國天文學家貝爾發現脈衝星,後來大家才知道這就是旋轉的中子星。她的發現讓很多人相信黑洞也有可能存在。

一九六九年    潘羅斯證實黑洞的快速旋轉能發出龐大的能量。

一九七一年    根據X射線衛星烏呼魯收集到的資料,叫作天鵝座 X-1 的非典型電波源,很有可能就是第一個在太空中發現的黑洞。

一九七三年    貝肯斯坦發表他的發現,黑洞事件視界的面積可以直接測量黑洞的熵。

一九七四年    為了證明貝肯斯坦錯了,霍金反而證實黑洞放出輻射(「霍金輻射」)一段時間後,會逐漸蒸發。他的發現意義重大,找出廣義相對論和量子力學之間的關聯。索恩跟霍金打賭,索恩認為天鵝座 X-1 真的是黑洞,霍金賭不是。

一九七七年    布蘭福特和日納傑發展出從旋轉黑洞抽取能量的模型。

一九九○年    霍金向索恩認輸,同意天鵝座是黑洞。

一九九九年    雷射干涉重力波天文台建造完成,一座在美國華盛頓州,一座在路易斯安那州。天文台二○○一年開始營運;預計在二○一五年啟用更先進的偵測器。重力波信號就是最先出現的直接證據,證實黑洞的存在。

二○一三年    德州相對論天文物理學研討會回到達拉斯舉辦,慶祝五十周年。大家現在都能接受黑洞的存在。演說題目包括黑洞合併、黑洞磁化、能量生成和黑洞形成時爆發出來的γ射線。

 

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