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黑洞-《平行宇宙》

PanSci_96
・2015/06/14 ・2924字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

一七八三年,英國天文學家約翰.米契爾(John Michell)第一個想到:如果一顆星星變得如此之大,以至光線也不能逃離,將會發生什麼。我們知道任何物體有一個「逃逸速度」,即克服它的重力牽引的速度。(例如,對於地球來說,逃逸速度是每小時二萬五千英里〔四○,二三三.六公里〕,為了掙脫地球的重力,任何火箭必須達到這個速度。)

米契爾想:如果一顆星星的質量變得非常大,以至它的逃逸速度等於光速會發生什麼。如果重力是如此巨大,什麼也跑不出去,連光也跑不出去,因此這個物體從外部世界看是黑的。因為它是看不見的,所以要想在空間中找到這樣一個物體,從某種意義來說是不可能的

black hole
Source from wikimedia

米契爾的「黑星」問題被遺忘了一個半世紀。但是在一九一六年它又重新浮上水面,一位在德國軍隊服務、在俄羅斯前線作戰的德國物理學家,卡爾.史瓦西(Karl Schwarzschild)發現了愛因斯坦方程式大質量星的精確解。愛因斯坦非常吃驚史瓦西能夠在槍林彈雨中找到他複雜張量方程式的解。他同樣吃驚史瓦西的解有奇特的性質。

從遠處看,史瓦西的解代表一個普通星星的重力,並且愛因斯坦很快地利用這個解,計算圍繞太陽的重力,查核他早期做的近似計算。為此他終身感謝史瓦西。但是史瓦西的第二篇文章指出:在一個質量非常大的星的週邊,有一個虛構的、有著奇異特性的「魔球」。這個「魔球」是不可返回的極限點。任何一個經過「魔球」的人將立刻被重力吸到這顆星星中,別人就再也見不到他了。甚至光線掉進這個球也不能逃離。史瓦西沒有了解到:透過愛因斯坦方程式,他重新發現了米契爾的黑星。

下一步,他計算了這個「魔球」的半徑(叫做「史瓦西半徑」〔Schwarzschild radius〕)。對於一個像我們太陽這樣大小的物體,魔球大約三公里(約二英里)。(對於地球,它的史瓦西半徑大約一公分。)這意味著如果我們能將太陽壓縮到二英里,它就會變成黑星,經過這個不能返回的極限點的任何物體都會被它吞食掉。

實際上,魔球的存在不會引起問題,因為不可能將太陽壓縮到二英里的尺寸。還不知道有什麼機制能產生這樣奇異的星。但理論上,它是一個災難。儘管愛因斯坦的廣義相對論可以產生燦爛的結果,如光線繞太陽的彎曲,然而當離魔球距離很近時,重力變得無限大,該理論失去了意義。

一位荷蘭物理學家約翰.德羅斯特(Johannes Droste)指出,該解答比人們能夠想到的還要古怪。根據相對論,當光線跑過這個物體的周圍時,它將嚴重地彎曲。事實上,當光線經過距離這顆星星一.五倍史瓦西半徑的地方時,光線將環繞這顆星星以圓形軌道運行。德羅斯特指出,當光線環繞這些大質量星星時,按廣義相對論預計的時間扭曲比狹義相對論預計的要大得多。

他指出:當你接近這個魔球時,遠處的人會說你的鐘變得越來越慢,當你碰到這個物體時你的鐘完全停止。事實上,外界的人會說,當你到達這個魔球時你的時間凍結了。因為在魔球中時間會停止,因此有些物理學家相信這樣奇異的物體在自然界不會存在。讓事情變得更加有趣的是,數學家赫爾曼.魏爾(Herman Weyl)指出,如果我們研究魔球內部的世界,似乎在它的另一側存在一個另外的宇宙

所有這一切都是這麼離奇,甚至愛因斯坦也不能相信它。一九二二年,在巴黎的一次會議上,數學家雅克.阿達馬(Jacques Hadamard)問愛因斯坦:如果「奇異點」是真的,也就是說如果在史瓦西半徑處重力變得無限大,會發生什麼事情?愛因斯坦回答道:「對於這個理論來說,它將是一個真正的災難,事先很難說實際上它會不會發生,因為公式不再適用。」愛因斯坦後來將此叫做「阿達馬災難」。

但是愛因斯坦認為所有這些關於黑星的辯論是純粹推測的。首先,沒有人看到過這樣奇異的物體,也許它們不存在,也就是說它們是非實際的。此外,如果你掉進一顆黑星,你就會被擠扁壓死。因為人們絕對不可能通過魔球(因為時間停止了),所以絕沒有人能進入這個平行宇宙

在二十世紀二○年代,這個問題使物理學家完全困惑。但是在一九三二年,大霹靂理論之父喬治.勒梅特做出了一個重要的突破。他指出:魔球根本不是奇異的,而是由於選擇了不合適的數學公式引起的幻覺。(如果選擇不同的座標或變數考察魔球,奇異點就消失了。)

宇宙學家H.P.羅伯遜(H. P. Robertson)用這個結果重新考察德羅斯特原來在魔球中時間會停止的結果。他發現,只有在觀察者從有利位置觀察火箭船進入魔球時,時間才停止。從火箭船本身的有利位置觀察,重力只需要幾分之一秒就會將你吸入魔球。換句話說,空間旅行者會非常不幸,當他通過魔球時他發現自己被立即擠扁壓死,但是對從外界觀察的觀察者來說,這個過程似乎用了幾千年。

這是一個重要的結果。它意味著魔球是可以達到的,不再是一個數學畸形而被排除。人們不得不認真考慮,如果從魔球中穿過會發生什麼。於是物理學家計算穿過魔球的旅行會是什麼樣子。(今天魔球被稱為「事件視界」〔event horizon〕「視界」指的是可以看到的最遠點。此處指光線能夠傳播的最遠點。事件視界的半徑叫做史瓦西半徑。)
當你乘火箭船接近黑洞時,你會看到在幾十億年前被黑洞捕捉的光線,回到黑洞開始產生的時候。換句話說,黑洞的生命史將展示在你面前。當你離得更近時,重力會逐漸將你身體的原子撕裂開,直到你身體的原子的核也被拉成義大利麵條的樣子。穿越事件視界是一條不歸之路,因為重力是如此強烈,你最終將被吸到黑洞的中心,被擠垮壓碎。一旦到了事件視界的內部,就再也沒有機會返回。(要想離開事件視界,除非你比光跑得還要快,但這是不可能的。)

一九三九年,愛因斯坦寫了一篇文章想排除這種黑洞,他聲稱這些黑洞不能靠自然過程形成。愛因斯坦首先假定,星星是從一個球形範圍內旋轉的塵埃、氣體和碎片開始的,在重力作用下逐漸聚在一起。愛因斯坦然後指出,這些渦旋的粒子集絕不會收縮到它的史瓦西半徑範圍內,因此絕不會成為黑洞。這些渦旋的粒子最多能夠達到一.五倍史瓦西半徑的地方,因此黑洞絕不會形成。(要進入低於一.五倍史瓦西半徑,就要比光還要跑得快,這是不可能的。)他寫道:「該研究的基本結果是要清楚地理解為什麼『史瓦西奇異點』(Schwarzschild singularities)在物理現實中不會存在。」

亞瑟.愛丁頓也對黑洞持深深的保留意見,一生都在懷疑它們是不是存在。他曾經說:「應該有一個自然定律防止星星出現這種奇怪的方式。」

與此相反,在同一年,羅伯特.奧本海默(他後來製造了原子彈)和他的學生哈特蘭.史奈德(Hartland Snyder)指出:黑洞的確能夠透過其他機制形成。

他們不是假定黑洞來自渦旋的粒子在重力下聚集,他們的出發點是一顆老的、大質量的星,用完了它的核燃料,因此在重力作用下內向爆裂。例如,一顆正在死亡的質量為太陽四十倍的巨星,可能耗盡了核燃料,被重力壓縮到八十英里[一二八.七五公里]的史瓦西半徑範圍內,最終瓦解形成黑洞。

他們認為黑洞不僅是可能的,也許還是星系中幾十億顆正在死亡的巨星的自然終點。(奧本海默在一九三九年提出的這個向內爆裂的思想,也許鼓舞了他在幾年之後將內向爆裂的思想用在原子彈上。)

平行宇宙--正封面本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版

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全台首座科研火箭場正式啟用!——坐落在依山傍海的屏東牡丹鄉

PanSci_96
・2022/01/18 ・2103字 ・閱讀時間約 4 分鐘

科技部「短期科研探空火箭發射場域」近日開放符合規定的火箭科研團隊申請使用!這是台灣太空發展繼去年 5 月立法院三讀通過《太空發展法》後,另一個重要的里程碑。

什麼?台灣竟然有發展太空科技!

沒錯!截至目前為止,全球有超過 90 個國家擁有自己的衛星,並有超過 31 個國家制定了國家太空法規,可見各國都砸下重金發展衛星和火箭等相關技術。正因為太空科技是現代全球競爭的新場域,台灣在具有基礎技術能量的前提之下,也決定加入太空科技的行列!

自 2020 年以來,行政院開始推動資訊及數位、資安卓越、精準健康、綠電及再生能源、國防及戰略、民生及戰備等六大核心戰略產業。其中,太空科技為國防及戰略產業的核心領域。在今年 1 月 13 日起開放申請的「短期科研探空火箭發射場域」,是台灣第一座以科研任務為主的火箭發射場,更是太空科技的里程碑!

地處屏東原住民部落的發射場域

科技部選定屏東縣牡丹鄉旭海村牡丹灣段 742-1 及 743-1 地號做為「短期科研探空火箭發射場域」,該場域占地面積 9,700 平方公尺,是國有海岸林地,也是原住民保留地。由於涉及原住民族的土地及權利,根據《太空發展法》第 12 條,必須依照《原住民族基本法》辦理。《原住民族基本法》第 21 條則規定「政府應諮商並取得原住民族或部落同意或參與,原住民得分享相關利益」,因此,科技部與當地「旭海部落」反覆協商後,在去年順利取得了同意。

旭海部落位於牡丹鄉最東側,是依山面海的漁村型部落,早期被稱為「牡丹灣」(macaran),意思是「水量豐沛的沼澤地」。最初來這裡開墾的是斯卡羅族,後來陸續有阿美族、排灣族、平埔族,以及閩南、客家等族群聚居,最後形成了一個族群融合的聚落。部落居民在得知該地被選為火箭場,有機會刺激觀光、帶動就業機會後,不少居民樂觀其成。可是,當地居民以出海捕魚、抓龍蝦為生,因此也有不少居民擔心火箭場將破壞牡丹灣的水域生態,使得魚及龍蝦的數量銳減,影響生計。

對此,科技部提出回饋方案,表示若居民因火箭試射而無法出海捕魚,將可享有補貼,而平時更有水電費和獎學金補助。另外,國家實驗研究院國家太空中心每週都派專員深入當地,傾聽村民心聲,也召開多場說明會,解答民眾疑問,讓當地居民了解火箭場落腳旭海的利弊得失。部落原訂去年 5 月舉行會議,卻因為疫情延宕至 11 月,最終共有 112 位居民出席,獲得 85 張同意票,正式通過我國第一座合法、安全且能維護原住民族權益的火箭發射場域。

圖為牡丹灣,鄰近的旭海部落早期即被稱為「牡丹灣」,意思是「水量豐沛的沼澤地」。 圖/牡丹鄉公所

誰可以合法申請、發射火箭?

立法院在 2021 年 5 月三讀通過《太空發展法》,是台灣第一部國家太空法案。《太空發展法》共計 6 章 22 條,內容規定主管機關為科技部,負責設置發射場域,而計畫執行單位為國家太空中心,負責營運、管理發射場域。另外,也規定發射載具僅能在國家發射場域實施發射。

位於旭海的「短期科研探空火箭發射場域」是台灣邁向完備太空基礎設施的第一步。然而,考慮到當地原住民權益,科技部承諾除非經過該原住民部落同意,否則將不會提供其他單位使用,後續相關作業也將由國家太空中心依據「短期科研探空火箭發射場域利益分享作業要點」辦理。

國家太空中心主任吳宗信強調,「短期科研探空火箭發射場域」不是提供給大型火箭發射,而是提供給科技部補助、委託或出資之執行單位或受委託單位申請,特別是各大專院校相關學術研究單位(航空工程學類和大氣科學系等),讓他們實地測試、驗證科研發展計畫的成果。據吳宗信了解,國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC)預計在 3~4 月發射火箭,國立成功大學航空太空工程學系則預計在 6~7 月發射,但實際情況還要看學校的整備狀況。

國立陽明交通大學前瞻火箭研究中心(ARRC) 製作的火箭。圖/ARRC 官網

參考資料

PanSci_96
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