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》

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

進一步了解商品：https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

•  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：

• Bartusiak， Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians， Hated by Einstein， and Gambled on by Hawking Became Loved. New Haven: Yale University Press， 2015.
• Begelman， Mitchell C.， and Martin J. Rees. Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe. Cambridge: Cambridge University Press，
• Curiel， “Singularities and Black Holes.” Stanford Encyclopedia of Philosophy. February 27， 2019. Accessed April 15， 2019. https://plato.stanford.edu/entries/spacetime-singularities/.
• “Event Horizon Telescope.” Event Horizon Telescope. Accessed April 15， https://eventhorizontelescope.org/.
• Event Horizon Telescope Collaboration， et al. 2019， ApJL， 875， L1， L4， L5， L6
• Kuhn， Thomas S. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago， IL: University of Chicago Press，
• Melia， Cracking the Einstein Code: Relativity and the Birth of Black Hole Physics. Chicago: University of Chicago Press， 2009.
• Thorne， Kip S. Black Holes and Time Warps: Einsteins Outrageous Legacy. New York: W.W. Norton，
• Will， Clifford M. Was Einstein Right? : Putting General Relativity to the Test. 2nd ed. Oxford， UK: Oxford University Press，
• 史蒂芬霍金著，郭兆林、周念縈譯，《圖解時間簡史》，台北：大塊，2014。