1901 年諾貝爾物理獎：為什麼 X 射線不叫倫琴射線？—《物理雙月刊》

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

•  文／泛科學編輯部（曹盛威、郭令鈞、雷雅淇、侯郁家、劉品萱）

你看過黑洞嗎？不論有沒有，你都可以再靠近一點！這張就是黑洞近照：

還記得 2019 年 4 月拍攝到的第一張黑洞照片嗎？那是來自 5500 萬光年以外的 M87 星系。三年後的現在，也就是臺灣時間 2022 年 5 月 12 日晚間，「事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）」舉辦全球記者會，公布人類史上第二張黑洞照片。

• 延伸閱讀：【特輯】為什麼黑洞長得像甜甜圈？十個關於黑洞的快問快答，來測測你跟黑洞有多熟！

第二張黑洞照片主角的所在地，你一定很熟悉，因為它跟我們一樣都位在「銀河系」——沒錯，銀河系中心的超大質量黑洞首次亮相啦！這張轟動全球的照片為什麼如此振奮人心呢？一切都要從「銀河系中心」開始說起。

我們怎麼知道銀河系中心有黑洞？

銀河系的中心到底有什麼呢？整個 20 世紀，科學家都在猜測這個問題的答案。

1933 年，美國貝爾實驗室的工程師央斯基（Karl G. Jansky）在解決背景雜訊干擾無線電通訊的過程中，意外發現最強烈的干擾源是來自人馬座方向的無線電短波，而這個方向正好指向銀河系中心。後來，這個無線電波源的位置就被稱為「人馬座 A」。這是人類第一次使用可見光以外的電磁波段觀測銀河，從此開啟了無線電天文學的發展。

• 延伸閱讀：無線電天文學的誕生│科學史上的今天：5/5

二戰結束後，各國紛紛投入無線電天文學的領域。1970 到 1980 年代，隨著科技不斷進步，天文學家發現人馬座 A 是由多重結構所組成。

1974 年，巴利克（Bruce Balick）和布朗（Robert Brown）使用更精巧的電波望遠鏡，發現人馬座 A 的某特定區域釋放出明亮且緻密的無線電波，由於此特定區域是人馬座 A 最活躍的地方，因此以原子激發態—— *（唸作 Star 或「星」）來表示，將其命名為人馬座 A 星（Sagittarius A*）。

不知表面攝氏千萬度是何許天體也

根據不同波長的電波與射線得到的觀測結果，銀河系中心簡直是「金光閃閃、瑞氣千條」，各個波段的電磁波應有盡有！其中，最耐人尋味的是 X 射線。為什麼呢？

根據黑體輻射原理（Black-body radiation），如果一個物體主要發出的是 X 射線，那它的表面溫度估計超過攝氏 1000 萬度；相較於我們的太陽，主要發出的是可見光，表面溫度約為攝氏 5500 度。

天啊！這個「攝氏 1000 萬度以上」的天體究竟是何方神聖？

1960 年代，天文學家姑且把這些未知天體稱為「類星體（Quasar）」。一開始推測類星體可能是黑洞、中子星、脈衝星、超新星等等，而目前主流學界認為「類星體就是黑洞」。

在黑洞的吸積盤上，高速繞行的物質會因劇烈的摩擦、碰撞，而產生高溫與磁場，並且激發強烈的電磁輻射。因此，天文學家認為，銀河中心強烈 X 射線的來源可能是黑洞。

另外一種觀測黑洞的方式是長時間紀錄恆星的軌道。如果發現這些恆星正在繞著看不見的天體運行，這個天體就有可能是個黑洞。

2020 年的諾貝爾物理學獎得主是德國科學家根策爾（Reinhard Genzel）和美國科學家吉茲（Andrea Ghez）。他們透過當時世界上最大的光學望遠鏡，花了 30 年監看銀河系中心，追蹤附近恆星的軌道運動，發現人馬座 A 星附近，有很多恆星快速地環繞運行。

• 延伸閱讀：【快訊】你說的黑洞，是哪種黑？揭開宇宙最黑的秘密──2020 諾貝爾物理獎

地球的運行速度最快只有每秒 30 公里，但在人馬座 A 星附近，有一顆稱為「S2」的恆星，最快甚至能以每秒 7000 公里的速度運行！從 S2 的完整軌道與速度來計算，人馬座 A 星的質量相當於 400 萬個太陽，半徑卻只有太陽的 17 倍。這樣極端的密度指向了一種可能性，那就是超大質量黑洞。

所以啦，早在 1990 到 2000 年代，「銀河系中心有個超大質量黑洞」就成了整個天文界乃至全世界都有的共識。

至於超大質量黑洞是怎麼來的，目前還是個謎。

一般認為黑洞是恆星死亡後的產物，但根據觀測，這些超大質量黑洞在宇宙大爆炸後的七億年就存在了。矛盾的是，那時的宇宙可以說是處在幼兒階段，重力還在吸引星雲聚集，成形的恆星屈指可數，完全無法解釋為何會有恆星死亡變成黑洞。這也成了世界各地的天文學家爭相研究的謎團。

有圖有真相，人馬座 A 星有照片嗎？

這不就來了嗎？2022 年 5 月 12 號，事件視界望遠鏡（EHT）公佈了人馬座 A 星的影像，請大家掌聲鼓勵！就讓我們來解讀這個最新的黑洞寫真吧！

由於黑洞本身不發光，我們要觀測的是黑洞周圍的光線被吃掉的範圍，也就是黑洞中央黑色區域的大小。不過，黑洞本身的尺寸其實比中心那塊陰影區域更小！

首先，「黑洞本身的尺寸」正確來說是「事件視界」的大小。事件視界的半徑即為「史瓦西半徑（Schwarzschild radius）」，只要知道黑洞質量就能推算出來，像人馬座 A 星的史瓦西半徑是 1200 萬公里。

當光行經事件視界外圍，也會沿著因重力而扭曲的空間彎折，最終被吸進黑洞，成了我們看不見的那塊圓形陰影，而「黑洞吃掉的影像範圍」（或稱為「陰影」）指的就是除了事件視界本身以外，還有多少範圍是全然的黑暗。

根據廣義相對論，「陰影」的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。

包傑夫（Geoffrey Bower）是中研院天文所的資深天文學家，同時也是 EHT 計畫的成員。他在記者會上表示，「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力所扭曲的光線，而亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。

EHT 如何捕捉黑洞影像？

天文影像的解析度將整個天空分成 180 度，每度有 60 角分，每角分有 60 角秒，每角秒分成 1000 毫角秒，每毫角秒再分成 1000 微角秒。以黑洞成像而言，人馬座 A 星與 M87 黑洞的陰影尺寸分別是 50 微角秒和 42 微角秒。

因此，從地球觀測這兩個黑洞的難度相當高，可以想像成從地球看月球上的一顆橘子，需要直徑非常大，甚至等同地球直徑大小的望遠鏡才能辦到。所以，EHT 真的在宇宙中建造了和跟地球一樣大的……（不要瞎掰好嗎！）

EHT 使用了特長基線干涉（VLBI）這項技術。簡單來說，就是透過結合兩座或多座無線電望遠鏡的觀測資料，重組出宛如單一望遠鏡的觀測結果。望遠鏡彼此之間的距離越大，組合出的解析度越好！根據中研院天文所郭駿毅博士的形容，EHT 的解析度銳利到足以從臺北看見東京的一粒沙！

• 延伸閱讀：誰在海邊蓋天文台啊（惱）——世界第一座電波干涉儀、什麼是特長基線干涉儀？—GLT FAQs

那為何不是先拍到距離我們比較近的人馬座 A 星，而是先公布 M87 的影像呢？其實，在 2017 年時，EHT 就同時觀測 M87 星系和銀河系中心的超大質量黑洞。人馬座 A 星雖然離地球較近，約 27,000 光年，但質量較小，難以觀測。

美國斯圖爾德天文台（Steward Observatory）的 EHT 科學家陳志均解釋，黑洞附近的氣體移動速度接近光速，加上人馬座 A 星比 M87 黑洞小 2,000 倍，周圍的軌道也更小，其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快，「就像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」，必須使用更複雜的成像技術，才能取得足夠清晰的照片。

也因為這樣的速度差異，這次銀河系中心黑洞的照片才會跟 M87 長得不一樣，形成有三個亮點的圖片。不過，這些明暗差異並不是都卜勒效應造成的。師大物理系助理教授卜宏毅表示，只要拍攝物體移動過快，就會留下殘影。然而，這並不影響我們解析黑洞半徑。

這次並沒有明確觀測到噴流。科學家對於銀河系中心黑洞是否存在噴流，目前仍有待商榷。

特長基線干涉技術支援科學家黃智威表示，這次的黑洞圖像也替未來的黑洞觀測打下良好的基礎。目前，學界將「超大質量」定義為 100 萬倍到 10 億倍太陽質量的數量級，估計 M87 約為 35 至 66 億太陽質量，而這次的銀河系黑洞為 400 萬太陽質量。

也就是說，目前觀測到唯二有清晰影像的黑洞，正好就是超大質量黑洞的最小值與最大值，而這兩張影像所呈現的特徵有許多相似之處，比如皆具有黑洞剪影及光環。如果連極端值都具有這些特徵，那麼理論上，其他大小的黑洞也都會有。

另外，黑洞也扮演著孕育恆星的重要角色。只要能夠深入了解黑洞的結構，想必也能更加深刻地了解銀河系的歷史。

• 延伸閱讀：毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成

天文所紀柏特（Britton Jeter）博士將拍攝人馬座 A 星的過程描述為「將一部電影濃縮成為一張影像」。這整個過程費時 5 年，有賴美國、加拿大、歐洲及臺灣的努力，利用世界各地的超級電腦運算龐大的觀測資料，再經由多次模擬、調校，才得以成像，讓我們能夠親眼看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

臺灣在黑洞計畫中扮演的角色

這次公布的黑洞影像，由全球各地 8 座望遠鏡共同完成，其中有 3 座和臺灣淵源匪淺，分別是由中研院參與建造或負責運轉的「次毫米波陣列（SMA）」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡（JCMT）」，以及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）」。

從 2017 年黑洞計畫啟動以來，中研院天文所就參與其中，合作夥伴包括國立中山大學、國立臺灣師範大學、國家中山科學研究院。從觀測、分析數據到成像，尤其在疫情之下，能夠持續投入，並且有如此卓越的成果，實屬不易。

未來展望

目前，EHT 團隊正在分析 2018 與 2021 年的觀測資料。除了上表 8 座天文望遠鏡以外，這些觀測活動還有格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope）與另外兩個望遠鏡參與，想必可以讓我們更清楚地看到 M87 和人馬座 A 星的黑洞影像。未來，團隊也期許能夠透過更高頻率的觀測，一窺更小的黑洞。

• 延伸閱讀：北極圈內唯一！格陵蘭望遠鏡開張，連線「全球陣列計畫」把宇宙看得更清楚

• 上集：從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路（上）

廣義相對論與黑洞的愛恨情仇

人們常說，廣義相對論「預測」了黑洞。這句話只說對了一半──根據相對論，巨大的恆星最終無可避免變成黑洞，但是相對論的黑洞存在著問題。

1965 至 70 年之間，潘羅斯和霍金（Stephen Hawking）證明，廣義相對論預示黑洞裡存在一個密度無限大、時空曲率無限大的奇異點。在這裡，二十世紀新物理的兩大體系──相對論與量子力學並不合！

微觀的世界會發生許多量子力學的效應，相對論卻是巨觀的，並沒有關心到微觀的問題。在黑洞奇異點這個無窮小的極端狀況下，相對論無可避免地要接受量子力學的挑戰。有些物理學家試圖整合兩大體系，提出「量子重力」理論。

黑洞的奇異點，可能是個量子重力主導的世界。相對論預測的黑洞，所有東西掉進去就出不來，不可能有輻射。然而量子力學用機率的觀點描述世界，不再有絕對的零，承認「無中生有」的起伏，真空並不是真的空。量子重力理論，則認為重力也會有量子起伏。考慮了量子現象之後，澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）、貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金發展出一套新理論，說明黑洞不是真的那麼「黑」，事件視界會有「霍金輻射（Hawking radiation）」。

相對論的黑洞，更不可理解的是「裸奇異點」，也就是沒有被包藏在事件視界裡面、觀察者有可能與它接觸的奇異點。相對論「容許」裸奇異點出現，但是裸奇異點的存在會引發思想危機，尤其是決定論的哲學觀點。難道，它會混亂無章地，突然把遠古時代的一個事件吐出來嗎？世界上的因果關係是否會被動搖？

面對這項危機，潘羅斯提出了一個耐人尋味的方案：「宇宙審查猜想（Cosmic censorship conjecture）」。也許大自然早已設計了另一個機制，讓裸奇異點不能存在，來阻止這種奇怪的事情發生。這個猜想，物理學家至今議論紛紛。到底是我們的世界觀還無法接受這樣的挑戰，抑或是宇宙真有這樣巧妙的機制？

在現實世界尋找黑洞

我們回到現實的宇宙，該如何尋找黑洞呢？一般的恆星不會發出強烈的 X射線，但是中子星、黑洞可以，於是 X射線是尋找黑洞的線索。不過因為 X射線天文觀測必須飛離大氣層的干擾，因此發展得很晚。1971 年，新的 X射線望遠鏡觀測到一個可疑的天體──天鵝座 X-1 雙星系統。這個系統中，一顆星發出 X射線而幾無可見光，另一顆星正好相反。

1974 年，索恩與霍金打賭天鵝座 X-1 是黑洞，索恩賭「是」，霍金賭「不是」。這個問題是可以得到答案的，假如發出 X射線的星體質量超過 3倍太陽質量，根據歐本海默的理論，它就無法以中子星的形式作，只能變成黑洞。

到了 1990 年，霍金趁索恩去莫斯科做研究的時候，闖入索恩在加州理工大學的辦公室，把當年的「契約」找出來，壓指印認輸。於是索恩贏得了賭注──一年份的情色雜誌。這搞到索恩的太太相當驚慌！

從 1963 年發現類星體之後，隨著了解越來越多，天文學家發現它的本質其實是「活躍星系核」，能量的供應來源，顯然是超大質量黑洞吸積物質的過程。有些活躍星系核甚至有相對論性噴流（註：「相對論性」指速度非常快，快到接近光速，必須用相對論描述）。例如 EHT 的觀測目標 M87 星系，不但有活躍星系核，還有高速而筆直的噴流。這些證據一再指出，中間有個巨大的黑洞在作怪。

我們的銀河系雖然不是活躍星系核，中央仍然有個黑洞，位在銀河系中央的人馬座A* 無線電波源。天文學家長期追蹤銀河系中央一些星體的運動軌跡，證實中央需要有個黑洞，其質量高達太陽的4百萬倍。

• 影片說明：凱克望遠鏡長年追蹤銀河系中心的星體運動軌跡，據此計算出超大質量黑洞的性質。

2015 年 9 月，當廣義相對論百週年紀念活動如火如荼進行時，雷射干涉重力波天文台（LIGO）史上第一次接收到重力波。訊號經過分析，得知是雙黑洞合併事件，兩個分別為 36 和 29 倍太陽質量的黑洞撞在一起，最後合而為一。

經過數十年的觀測，許多天文現象，都必須用黑洞來解釋。在第一張黑洞影像出現之前，黑洞作為現實宇宙中的天體，多數天文學家沒有疑問了。

第一張黑洞的直接影像

想要看到黑洞的事件視界非常困難，因為黑洞太小了。如果有個和地球一樣重的黑洞，它的史瓦西半徑只有不到一公分。M87星系的超大質量黑洞，當然大多了，但是我們如果要從地球上看見，就必須達到驚人的解析度，差不多是要在台北看清楚蒙古草原上的一根羊毛！

在 2017 年 4 月，EHT 終於拍到史上第一張黑洞的直接影像。這是利用特長基線干涉技術，加上全球戮力合作，聚集最強大的望遠鏡組合，才有可能辦到。接著由中研院天文所等全球好幾組人馬，處理龐大的資料，分別反覆確認之後，終於在 2019 年 4 月 10 日將這個了不起的成果公諸於世。

拍到黑洞照片，又能告訴我們什麼？

霍金早就向索恩認輸了，天文學家也幾乎都相信黑洞是宇宙中的天體，那為何還要大費周章拍攝一張看起來像甜甜圈的黑洞照片呢？為了證明愛因斯坦的天才嗎？

科學哲學家孔恩（Thomas Kuhn）認為，常態科學家並不是在挑戰目前的「典範（paradigm）」，而是在典範之下從事解謎活動，基本上是在處理三種問題——確定事實、將事實與理論對應、使理論連貫。

許多天文學家關注的並非「廣義相對論是否正確」，而是在此理論架構下，我們可以確定更多關於黑洞的事實。星系如何誕生、如何演化還是一個謎團，而星系中央的超大質量黑洞與此息息相關。是黑洞吃飽了才長出星系，還是星系夠大才有能力長出黑洞？還是雞生蛋、蛋生雞的問題？我們的銀河系中央也有一個大黑洞，它是否可以幫助解答銀河系的誕生，進而解答我們為什麼在這裡？

另一方面，黑洞事件視界的觀測，也是事實與理論的對應。廣義相對論不僅承認黑洞「存在」，也描述了黑洞「該長什麼樣子」。我們需要實際觀測，看黑洞是否真的長這樣。

過去我們所知的都是黑洞的間接證據，從強烈的 X射線、周邊星體的運行軌道，得知它與相對論推衍出的黑洞一致。好比說，我們在森林裡面，看到某種動物的腳印、糞便，知道牠顯然存在於附近。但是誰知道大自然不會給我們意外呢？看到牠的身影，我們更確定是我們預想的那種動物。

天文觀測不停地向黑洞本身推進，從黑洞在周圍留下的腳印，追到了黑洞的蹤影。我們無法真正看到黑洞「本身」，因為光線沒辦法從黑洞出來，但是看到黑洞的「剪影」，看見事件視界的輪廓，也確認中間真的有個不發光的洞，使我們更接近黑洞一步。

對於現實世界觀察或實驗的範疇，總會有個邊界，而科學家不斷嘗試擴展邊界。廣義相對論設下了一個能夠觀測的極限邊界，那就是事件視界，裡頭的光出不來，無法看見。如今，天文觀測終於開始觸及到理論劃下的邊界，這個開疆拓土的知識探求，令人相當興奮！

愛因斯坦本人都還沒走到這一步。他不相信黑洞存在，因為黑洞違反生活經驗。但是人類的「經驗」是不斷重新劃界的，人們的相信與懷疑經常都很短暫。科學的過程，則在理論與觀測不斷的辯證之中，挑戰知識的邊界。黑洞原來是完全超越現實經驗的，科學家先由理論洞察出黑洞的存在，如今更將其轉為可直接觀測的東西。觀測的邊界擴大，也開闊了人類的心智。原來我們生活的世界這麼有意思！

• 影片說明：廣義相對論磁流體力學模擬，得到黑洞剪影的預期模樣（Credit:Hotaka Shiokawa）。

不斷擴大觀察的邊界，越多事實可以與理論對應。這次拍到的黑洞影像，科學家將它和廣義相對論克爾解比較，並且初步發現是一致的。利用「廣義相對論磁流體力學」的電腦模擬，得到理論預測黑洞周圍的光線分布，比較之下，確認觀測結果符合一個順時鐘旋轉的克爾黑洞。

這代表說，過去幾十年理論家的預測，至少是相當成功的。克爾找到旋轉黑洞的解，潘羅斯和霍金證明穩定的黑洞都是是克爾解，如今真正看到的黑洞，的確與此一致。

解釋黑洞，一定是用廣義相對論嗎？

我們需要留意，這張黑洞影像是與廣義相對論的預測「一致」，但不確定是否只有廣義相對論能夠解釋。EHT發表的論文說明，這次拍到的影像與與克爾黑洞一致，並且檢驗了其他幾個替代方案（包括相對論及非相對論的其他黑洞假說）。這張照片確實殺掉了幾種假說，不過還有一些理論是不被排除的，而目前仍無法分辨。

科學家不斷尋求在各種情境下測試相對論，黑洞觀測即是強重力場下的測試。黑洞是相對論可解釋的邊緣地帶，現在相對論暫時通過了測試，但是繼續測試過程中，也許會發現更多問題。

因此，觀測到事件視界並不是終點，廣義相對論與量子力學的戰場於茲揭幕。這次EHT發表的一系列論文中，第一篇第一段就談到，「在史瓦西之後超過一個世紀，在廣義相對論與量子力學統合上，黑洞仍處於基本問題的心臟地帶。」未來有更高解析度的黑洞影像，科學家將有機會測試不同重力理論的預測，而後可以繼續詢問：一定是廣義相對論嗎？

我還可以從另一個角度切入思考，一定是廣義相對論嗎？前文說過，牛頓力學也可以描述某種「黑洞」（黑星）現象，而且還與相對論預測的黑洞有幾分相似。假想一個情境，在相對論出現之前，人類就看到黑洞，說不定也會認為這是牛頓力學的成功預測？我們發覺，牛頓力學也有能力粗糙地描摹或預測黑洞，只不過歷史發展沒有給牛頓這樣的表現機會。

這意味著，不同理論可能都有能力在某些程度上成功掌握著黑洞樣貌。是誰暫時取勝，則牽涉到科學史的複雜背景。人類尋找黑洞的過程，主要是以相對論作為重力理論的典範（註：孔恩的術語），於是當科學家發覺相對論真的預測黑洞，其中包括一些牛頓力學無法說明的現象，這時就會說，相對論取得一定的成功。相對論目前成功了，但不是絕對的勝利，黑洞不見得是專屬於相對論的東西。

我們看到，理論都有成功之處，也都有侷限。在黑洞的解釋上，牛頓力學不如想像那麼失敗，而相對論與量子力學在黑洞的不合，則顯現了相對論的侷限。今天看到黑洞與相對論的預測一致，也許只是暫時的一致。量子重力或未來的其他理論，可能將更成功地解釋黑洞的觀測現象，甚至促成新的科學革命。

我們不用過度迷信愛因斯坦。不過話說回來，仍然無庸置疑的是，廣義相對論在這一百年來取得了重大的成功。當我們了解到科學理論的侷限，反而更懂得欣賞廣義相對論革命性的意義。在廣義相對論典範之下的黑洞探尋，經歷多年的相信與懷疑，終於在理論與觀測的辯證之中，把人類的心智推進到一個從未能以現實經驗想像的領域。

參考資料：

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