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從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路(上)

2019 年 4 月 10 日,由中研院天文所等全球 13 個機構主導的事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱 EHT),公布了人類史上第一張黑洞影像。

2019 年 4 月 10 日中研院的記者會,廖俊智院長與天文所王翔宇副所長接受媒體採訪。圖/作者提供

人類探尋科幻一般的黑洞,過程十分曲折,今天這張影像才顯得珍貴。為什麼黑洞如此耐人尋味?一張「甜甜圈」照片帶給我們什麼?愛因斯坦再度勝利了嗎?讓我們來一起思索這段相信與懷疑的路程吧!

牛頓力學中,其實有預測出「黑洞」

雖然「黑洞」這個詞在 1960 年代才出現,光線進入某個星體而無法逃脫的猜想,早在 18 世紀末就已提出。如果以為這樣的提議只是科幻想像,或者亂猜,那就錯了。

早在 1783 年,英國自然哲學家米歇爾(John Michell)的論文中,就提出一種「看不見的星球」。不久之後,法國數學家、天文學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)也提出類似的想法。他們的學說有憑有據,都是從牛頓力學推出。

牛頓力學可以很簡單地產生一種黑洞,原理是這樣的:

每個人都知道,我們在地表往上跳躍,會掉回地面而不是飛到外太空。除非跳得夠快,快到像火箭一樣高速衝上天,否則我們無法「逃脫」地球重力。

設想「光」也是一顆顆粒子,光粒子若從某顆星球表面往上跳躍,假如星球質量非常大,重力強到光的速度也不足以逃脫,連光就只能墜回星球上,永遠不會傳遞到星球之外,我們也就看不到這顆星球了。

1783 年米歇爾的論文提出看不見的星球。圖/英國皇家學會《自然科學會報》

牛頓力學預測黑洞,其實還不差。利用萬有引力定律的逃逸速度,可以得到一個臨界半徑,在此之內的光子無法脫離。這個臨界半徑,竟然等同於「史瓦西半徑」。廣義相對論的黑洞有個「事件視界(event horizon)」,也就是光逃不出來的界線,而第一個相對論的黑洞解——史瓦西(Karl Schwarzschild)在 1916 年找到的解,事件視界的大小就稱為「史瓦西半徑」。這與米歇爾、拉普拉斯的「黑洞」,大小是完全一樣的。

以後見之明來看,米歇爾的構想有個關鍵的問題。現在我們知道,真空中的光速是永遠恆定的,不會因為星球重力而「降速」掉回去。事實上,「光速恆定」這件事情的發現,就是十九世紀末物理學危機的一大原因。愛因斯坦為了拯救「光速恆定」的前提,最終決定放棄牛頓的世界觀,創造出新理論。儘管科學史上不是因為黑洞而發覺牛頓力學出問題了,但是牛頓力學和愛因斯坦相對論分別預測的這兩種黑洞,其中關鍵的差別,同樣在於光速恆定的問題。

雖然原理不同,但是對於遙遠的觀察者而言,兩種黑洞的特性「乍看之下」沒什麼不同,都是一顆光線出不來的星。只有當觀察者跑到黑洞表面附近,才有差別。牛頓力學的黑洞,光會往上拋再掉回來,所以表面附近有機會收到光。

我們暫不考慮抵達黑洞旁邊的情況。既然牛頓力學的黑洞,「乍看之下」與相對論的黑洞並無二致,那為什麼人們特別強調廣義相對論預測黑洞?甚至可設想,在史瓦西解出現之前,由於牛頓力學並不遵守光速恆定,愛因斯坦相對論卻得遵守光速恆定,反而牛頓才輕易地允許黑洞出現。如此,科學家不是該在牛頓被愛因斯坦推翻的同時,推翻掉黑洞的假說嗎?科學史的演變,遠比這樣的推理更為複雜。

黑洞的存在,曾經連愛因斯坦都不相信

人們容易設想,科學是個艱難但筆直的道路,不斷向前發現新事物、開拓新知。然而科學史上,人們經常迂迴地走回原處,從「見山是山」到「見山不是山」,才能來到「見山還是山」的境界。牛頓力學的黑洞,奠基在光是粒子的假說上,後來光的波動性證據不斷出現,人們暫時放棄了光粒子說,黑洞也就不成立了。二十世紀初物理學革命性的進展,量子力學重新承認光作為粒子,而廣義相對論則在另一條道路上,重新暗示著黑洞可能存在。

注意,這只是暗示著,承認黑洞存在是個更長遠迂迴的道路。愛因斯坦 1915 年提出的廣義相對論儘管隱藏著黑洞的解,且史瓦西在 1916 年就得到第一種解,卻不容易令人相信。史瓦西的黑洞性質相當詭異,所有物質、光線都會掉進一個奇異點(singularity)。

史瓦西黑洞的構造。圖/修改自維基百科(原圖由Sandstorm de創作)

廣義相對論挑戰了牛頓的世界觀,把絕對的時間、空間推翻了。如果你看過《星際效應》這部電影,也許你記得主角來到黑洞旁邊時,時間過得緩慢,主角過了一小時,地球上竟然已經過了七年。這種現象會使得親人重新見面時,女兒變得比父親還老,威脅到人類原來的倫理觀念。

巨大的星球附近時間變慢,對於愛因斯坦是可以接受的,但是史瓦西解是個極端情況。一旦有個東西墜往史瓦西的黑洞,到達事件視界的時候,對於外界觀察者而言,會看到這個東西無限期凍結在那裡。你可以想像,發生的事件會永遠停滯在這個界線,而界線內的事件無法被外面看到,所以我們把這個地方稱作「事件視界」。這樣的情況是我們現實經驗不可能容許的。而黑洞的奇異點,似乎更令人難以接受。

史瓦西用愛因斯坦方程式解出黑洞,愛因斯坦卻不相信這種東西存在於現實中。1939 年,愛因斯坦發表一篇論文,提出粒子防止塌縮到臨界半徑的機制。現在看來,愛因斯坦忽略了一件顯而易見的事情──接近臨界半徑時,其他作用力根本無法與重力抗衡。

愛因斯坦為何犯下這個「錯誤」呢?長年研究黑洞的 2017 年諾貝爾獎得主基普·索恩(Kip Throne)說,如果我們問說愛因斯坦怎麼那麼笨,那是反映了我們並不了解「1920 到 1930 年代幾乎所有人的思維方式」。

廣義相對論雖然「容許」史瓦西解存在,但是導致的結果違反人類生活經驗。怎麼可能時間慢到無限久?怎麼可能所有物質墜入一個點?如果這些事情成立,嚴重挑戰人們的世界觀,可能動搖許多哲學。

黑洞實在太顛覆想像?飽受質疑的恆星塌縮理論

恆星的研究為史瓦西解開啟了一條新路,不過仍然備受質疑。1931 年,當時還年輕的錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar),根據量子力學的計算,發覺白矮星質量有個上限,超過此質量則無法支撐重力。沒想到,受到當時最大牌的天文學家愛丁頓(Arthur Eddington)極力攻擊。

超過「錢德拉塞卡極限」的星體就會塌縮成黑洞嗎?另一個可能出現了。1932 年查兌克發現中子,那幾年茲威基(Fritz Zwicky)等人也根據觀測提出了超新星的說法。於是茲威基就想,超新星爆炸之後,是否可能成為一顆由中子構成的星?他的見解是對的。1937 年,藍道(Lev Davidovich Landau)發表中子核心的理論,證明中子星可以撐得住重力而存在於宇宙中。

下一個問題來了,中子星這個機制是否阻止了宇宙中產生黑洞?1939 年,歐本海默(Julius Robert Oppenheimer)提出這個問題:中子星是否也如同白矮星,會有質量上限?經過計算發現,超過某個質量之後,中子星的形式也不再能支撐一顆星球!這稱為「歐本海默極限」。

愛因斯坦與歐本海默。圖/維基百科

不久之後,歐本海默與他的學生史奈德(Hartland Snyder),運用簡化的模型找到廣義相對論的解,說明中子星超過質量上限之後,必定走向塌縮。這個說法,質疑聲音很多。許多人認為他們的模型太過理想化,也有人考量到廣義相對論沒有經過強重力的驗證,只有在太陽系內通過檢驗。過了二十多年後,這種窘境才改變。

背後的原因,除了廣義相對論本身研究的停滯之外,還是在於黑洞完全顛覆了現實經驗,超越時人對宇宙的直覺想像。維納·以斯列(Werner Israel)寫給索恩的信談到,十八世紀的黑星(黑洞)「並無威脅到我們鍾愛的物質永恆與穩定的信念。」相對地,「二十世紀的黑洞是這種信念的重大威脅。」

科學發展的過程,其實有很多非理性的因素影響。以斯列又將黑洞與大陸漂移學說比較,說明兩者的證據都在 1916 年出現,卻「由非理性的劃界阻擋,在半路上停止了半個世紀。」兩者都到了 1960 年代才復甦,以斯列認為不但是受益於戰後科技發展,也因為蘇聯衛星發射,挑戰了西方科學的地位,也似乎告訴人們,還有很多西方科學沒想過的事。

黑洞研究的黃金時期:1963-1975

廣義相對論的研究,經過幾十年的沈悶,到了 1950 年代中期才開始復甦。運用微分幾何的數學方法,廣義相對論的理論重新整頓。而且在 1959 年,重力紅移實驗的成功,使得廣義相對論更被人們信任。

到了 1967 年,「黑洞」這個詞才由惠勒(John Wheeler)正式採用。惠勒原來也不相信黑洞,對於歐本海默的說法抱持懷疑,直到芬克爾斯坦(David Finkelstein)在數學上找到了一個新的坐標系來解釋奇點,並且惠勒成功用電腦模擬出黑洞之後,他才轉而相信。

黑洞在 1960 年代重出江湖,有一個重要的背景,是和實際天文觀測扯上了關係。索恩說,如果在 1962 年,誰說宇宙中有巨大的黑洞,一定會被天文學家嘲笑。不過,一切都要改觀了。

類星體 3C273 的無線電波影像,可見高速噴流構造。圖/MERLIN

1963 年,拜電波天文學的技術進步所賜,天文學家施密特(Maarten Schmit)找到了一種特異的天體,像是星星,卻會發出無線電波。更奇怪的是,光譜顯示它有很高的紅移,表示它離我們非常遠(3C273 離我們 20 億光年遠)。這種未知的天體,當時就姑且稱作「類星體」。

這麼遠的天體怎麼還看起來這麼亮?顯然有極其巨大的能量供給。天文學家發覺,他們首度需要用到廣義相對論,來解釋觀察到的現象。

1963 年 12 月,在美國德州開了一場「相對論天文物理」會議,探討類星體的問題。紐西蘭數學家克爾(Roy Kerr)在會議上,報告了愛因斯坦方程式的一個解,當下聽眾並沒有特別注意。而當著名的相對論物理學家帕帕佩特鲁(Achilles Papapetrou)聽到他的成果,立刻站起來,興奮地說明,克爾成功了!這就是他找了三十年的答案!

克爾找到的是旋轉黑洞的解。史瓦西解是個理想化的情況,因為現實中的星體並非靜止,而是在旋轉的。反對黑洞的人常想,旋轉有可能阻止黑洞產生。如今,克爾成功證明,即使星球在旋轉,也不能避免黑洞產生。

電影《星際效應》的黑洞。圖/維基百科

旋轉黑洞有個有趣的特性,是會拖曳周圍時空。正因為如此,我們看到《星際效應》裡面電腦模擬的黑洞,光線會繞著黑洞轉。而一個要墜入旋轉黑洞的東西,對於外在觀察者而言,是永遠繞著事件視界打轉。

1969 年,潘羅斯(Roger Penrose)發現,旋轉黑洞的事件視界周圍,有一個區域儲存了旋轉能量,後來這稱為「動圈(ergosphere)」。掉進動圈的東西有機會逃出來,且如果成功逃出來,還可以帶走不少黑洞的旋轉能量。所以有人說,黑洞可以作為超高效率的發電機。

1970-73 年,在霍金、卡特(Brandon Carter)、羅賓森(David Robinson)的努力之下,終於證明:任何塌縮而形成黑洞的旋轉物體,最終靜止狀態都能用克爾解表示。或者說,若有穩定態的旋轉黑洞,那都是克爾解。如此一來,克爾解就是可以在現實宇宙中出現的黑洞形式。

1963-1975 年,經過一代理論家與觀測家的努力,不僅黑洞理論有長足的進展,且黑洞不再只是不切實際的理論推算,開始能夠與物理的世界發生聯繫。

 

 

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關於作者

歐柏昇

台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。

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