DDS036--「黑洞（I）」

在我個人對宇宙和天文學的膚淺認知裡，「黑洞（Black Hole；見下圖；credit: Alain R., Wikimedia Commons）」一直是個最神秘，又讓人充滿無限遐思和幻想的天文景象。一般說來，它因具有超巨大的質量，以及由此質量所衍生，讓你無法想像的引力，使得連光線（light），也無法逃離、越踰它而去，也因為如此，以我們的肉眼或是一般以光為媒介，探索宇宙的傅統天文觀測方法，根本無法察悉（即看到）它的存在，故稱之為「黑洞」，意謂人類憑肉眼的觀測是「看不到」它的。當然，我們也知道，「引力」固然是無遠弗屆，但是它也隨著距離的增加而快速遞減，對於「黑洞」所造成的「引力」，自不例外，由其所在的中心，向外遞減，在其外圍處，環繞一稱為「event horizon」的疆界，任何物體，只要一度越過此界線，就永遠無法再脫離而去，也就是所謂踏上了「不歸路」（point of no return）。

〔註：此 「event horizon」的名詞，中譯不易，讀者可以把其中的「horizon」視同如在地表上遠眺遠方，你看到的是一地平線（horizon），過了這地平線，你什麼也看不到，也就是說，在這地平線之後，到底發生了什麽事件/事情（event），你是不可能知道的，這「event horizon」指的就是這個意思，任何物體一旦穿越過了此「event horizon」，進入「黑洞」的範疇，你將無法知道，到底會發生什麼事情？〕

雖然「黑洞」為宇宙的秘境之一，而且我們對它的認知和了解，主要還是來自天文物理學者們，近半世紀來的觀察和研究成果，但讓人意想不到的是，「黑洞」這個概念，居然是由英國地質學家 John Michell （1724 - 1793）於 1783 年率先提出的。雖然不像其他名聞後世的偉大科學家，John Michell 的許多科學發現和成就，迄今仍為人所津津樂道，也舞法讓我們後世遺忘。例如，他對地球磁場和地震機制的研究，尤其是後者，更是現代地震學（seismology）的肇始圭臬、最早設計出測量兩物體間引力的儀器，使得我們今天才能有「引力常數（gravitational constant）」這個數值、天體中兩個恆星的共伴存在等等，也因為這些成就，他也因而獲選為英國皇家學會的成員之一。

但是，John Michell 除了對地質的研究深感興趣外，也對宇宙中各星體的運動十分好奇。當時他想知道天體中任一星體的質量，在他那個年代，他接受了「牛頓引力」的觀念，也相信當時認為「光是粒子」的說法，他的理解邏輯是：只要計算該星體熾射出的光線，其行進距離和速度的改變，即可推算出該星體的質量，就像在任一星體上投射一個物體，若該星體質量愈大，其「引力」也愈大，該物體掉落下來的距離和時間也愈近、愈快。他進而推算，若一星體，其質量為我們太陽的 300 倍，則其熾射出來的光線，將只能落回到該星體的表面，無法被我們觀測到。這個概念就是現今我們所謂的「黑洞」，由於其巨大的質量，連光線也無法脫離其所造成引力的範疇。下圖即為 John Michell 於 1783  年發表於 Philosophical Transactions of the Royal Society of London（vol. 74, pp. 35）論文中，有關「黑洞」的一頁 （credit and source：the Philosophical Transactions of the Royal Society of London）。

儘管如此，「黑洞」這個天文學上的學名，後人咸認為是 1967 在紐約舉辦的物理研討會上，由著名物理學家 John Wheeler （1911-2008；見下照片。他的學生包括後來獲得 1965 年物理諾貝爾獎的 Richard Feynman；有人說，這位 Feynman 先生，是繼愛因斯坦之後最聰明的物理學家）所創。但是依據 John Wheeler 他自己的說法，他用「黑洞」這個名詞的靈感，其實是來自一位名叫 Ann Ewing 的女記者，當年（ 1964 年 1 月 18 日）她在報導「美國科學促進會（the American Association for the Advancement of Science）」時，所寫的一篇名為「太空中的「黑洞」（"Black Holes" in Space）」的新聞稿。

由這個小典故，我們就可以知道，要迎得別人對你的敬重，就必需對自己誠實，尤其不可剽竊別人的「原創力」。你也由此可以體會，什麼叫「人輕言微」，在現今的社會裡，同樣的話，小人物說破了嘴也沒用，還是要有大枷的幫你加持或背書才有效。要不，治標不如治本，從今起，你就好好努力，想辦法讓自己變成個大人物，到那時，相信我，「狗嘴也能長出象牙的」（所謂官大學問大啦！何況周遭還有一批恬不知恥的政客學者，曲意拍捧，跟著起哄，世道因此日下。「士大夫之無恥，乃是國恥」，古有明訓，讀書人切記之！）。

接下來，一個有趣的問題是：既然「黑洞」是「看不到的（invisible）」，我們又怎麼能知道它的存在呢？這你就要知道，科學家也是人，不見得比你聰明，但也不是笨蛋，老祖宗說：「天下無難事，只怕有心人」或所謂的「天道酬勤」，這時候就起了根本的作用。對於「黑洞」在宇宙間存在的證實，科學家們主要是先藉由了解「黑洞」的種種「特質」，進而依這些「特質」所應衍生的各種物理現象（例如，其巨大質量所衍生的引力，對鄰近物質或其他星體的影響），再利用各種不同的探測方法和儀器「按圖索驥」，就能逐步鎖定它可能存在的位置。說白點，就是仔細觀測，周遭星體或物質與「黑洞」的互動關係，再依據這些資訊，來推斷「黑洞」所在之處。事實上，依霍金（Stephen Hawking）博士的說法，「黑洞」的研究在人類科學史上，是先有完備理論基礎，再藉由觀測驗證無誤的罕有案例。

例如，以在我們銀河系中心，名為「Sagittarius A*」的超大質量黑洞為例（其質量約為我們太陽質量的 400 多萬倍），它距我們地球 2,600 光年遠（相當於 25 萬兆公里）。針對此超大質量的「黑洞」，科學家利用一名為「Event Horizon」的天文望遠鏡，拍攝得其影像（見下圖；credit: sdecoret/Shutterstock ），該影像清楚顯現，在此「黑洞」周邊，有一由氣體熾射出來光線形成的渦流，由外而內向此「黑洞」中心匯集而去，表示渦流的中心區域，必有一巨大的「黑洞」存在，因為，唯有如此，其所造成的「引力」效應，才能使這些光線，匯成如洪流般的向其中心漫延而去。注意，圖片中的圓形黑暗區，即是所謂的「event horizon」，而所謂的「黑洞」就在這個圓形黑暗區的中心。（待續）