2014年6月22日 星期日

DDS043-「黑洞(VII)-補遺和總結」

自從年初,霍金(Steve Hawking)博士對近百年來「黑洞」的研究,投下了一顆類似深水炸彈的另類看法後(見前文DDS042),不但引起學界一片騷動,也讓他再度成為媒體爭相角逐報導的重點。説霍金博士是近代科學界的「媒體寵兒」,絶不為過,這個現象恰如 30 40 年代時的「愛因斯坦」一樣,當「愛因斯坦」於 1905 1916 年分別發表了「特殊/狹義相對論」和「一般/廣義相對論」後,雖然也著實給當時的物理學界帶來了極大的震撼,但終究因為這些理論,對一般百姓的日常生活作息,並無直接、立即和顯著的影響,因此他的「傳奇」也就止於學術圈內而已。

直到 1936年時,天文學家們觀測到水星的歲差現象(Mercury's precession),完全應驗了愛因斯坦「相對論」早先的預測,接踵而來的媒體競相報導,使得「愛因斯坦」頓時成為「家戶喻曉」的媒體竉兒,直到今天依舊如此(參見前文DDS-002)。單就這㸃來說,你還真的不能不服氣,因為百年來,有多少人想挑戰「相對論」,結果不但沒能成功,反而一再證實它的正確無誤,而且像「黒洞」和「引力波(gravitational waves)」的存在,這些頂級的天文景象,無一不是「相對論」早就預期它們的存在的,只是因為當時許多偵測科技的能力還無法達成而已。

說「愛因斯坦」和「霍金博士」是媒體寵兒,對「黑洞」在天文學界而言,也是不遑多讓,它是外太空中最奇特的天文景象,有關它的研究,數十年來,更是如雨後春筍,不時有新的驚人發現,也成為科學媒體報導的焦點。事實上,儘管「愛因斯坦」早在其 1916 發表的「廣義相對論」中,就已預測宇宙中必然有「黒洞」的存在,但「黒洞」這個名詞,到 1967 年時,才由 John Wheeler 予以正名(見前文:DDS-036),而第一次被發現和證實它的確切存在,則是在 1971 年,前後相隔了 55 年。這個漫長的歷程,也讓我們感悟到什麼叫做「高瞻遠矚」,偉大人物(不只是科學家而已),往往是活在時代的未來,他們的「真知卓見」,可能一時無法見容於當時的社會情境(包括科學文明進化的程度),但歷史最終總會證明他們的慧見和堅持,是人類集體文明演進的最主要動力,誠所謂「真理不是爭出來的,時間會還你一個公道」。

有關「黑洞」這個迷人的科學議題,前文已多所闡述過了。大約在一個月前,網路上出現一題為「黑洞:事實、理論和定義(Black Holes: Facts, Theory & Definition )」的短文,總結了迄今科學家們對「黑洞」的理解,有興趣的讀者,不妨逕自上該網站㸃閲(Reference: http://www.livescience.com/42851-stephen-hawking-no-black-holes.html?cmpid=514645 ),該文也特別引用了一張海報式的圖説(見下圖;Credit: Karl Tate, SPACE.com contributor),針對「黒洞」做了一個簡扼的重㸃整理,也增潻了更多的可讀性。該圖說,也同樣出現在另一篇名為:「霍金博士:沒有黒洞(Stephen Hawking: There Are No Black Holes)」的網路文章中(Reference: http://www.livescience.com/42851-stephen-hawking-no-black-holes.html?cmpid=514645 ),可見這些看法,確是目前學界的共識。


此外,前文(DDS-037)也指出,「黑洞」其質量(mass)可大可小,小的只有我們太陽質量的 10 倍左右(太小的話,由其質量引發的「引力(gravity)」,不足以形成所謂的「黒洞」),大的可達數百萬甚至上億個我們太陽的質量。另外,該文也提到每一個「銀河系(galaxy)」的中心都存在一個巨大的「黒洞」,而且科學家們相信,愈大質量的「銀河系(galaxy)」,其中心的「黑洞」質量也愈大,這也就意謂著:若要探尋更巨大「黒洞」的存在,必須要能率先找到更巨大的「銀河系(galaxy)」方可。當然,你也不必被這些驚人的巨大質量嚇到,因為以我們所在的「銀河系(galaxy)」為例,它至少有二仟到四仟億個星體,雖然這些「黒洞」的質量是如此巨大,但其質量總和最多也只佔我們「銀河系(galaxy)」總質量的千分之一而已。

基於以上這種「銀河系愈大,位於其中心的黑洞也愈大」的基本規律,多年來科學家們一直不遺餘力,想方設法,希望利用各種不同的先進探測工具和理論推導,試圖能找到更大質量的「黒洞」。直覺上,你可能會質疑説,這又怎麼樣?只是找到更大的而已,又能有什麼科學上的意義呢?你問對了一半,真正的重點在於:由於更大質量「黒洞」的存在,其所引發的相關天體物理現象(如「時空(spacetime)」在此巨大引力作用下之扭曲),可以讓科學家們更有效地去驗證,愛因斯坦「廣義相對論」中的各項理論(例如「引力波(gravitational waves)」),甚至在此極端「引力」作用下,「相對論」和「量子力學」兩者間,可能存在的相容性(見前文 DDS-036 DDS-042)。

皇天總算不負苦心人,最近科學家們終於搜尋到,位在「處女星聚落(Virgo Cluster)」中心處,有一名為 Messier 87 的銀河系,其總質量約為我們銀河系的 200 倍,其中心「黒洞」的質量,高達太陽質量的 66 億倍。你說,這可是多恐怖的啊?別急,更恐怖的還有呢,那就是在距我們 10 7 千萬光年遠處(約為我們和前述「處女星聚落(Virgo Cluster)」距離的 20 倍),有一稱為「Abell 2029」的銀河聚落。在其中心處,有一為目前所知質量最大的銀河系(代號為IC 1101),其質量為太陽的 100 兆倍,約等同於整個「處女星聚落(Virgo Cluster)」質量的總和。至於它中心的「黒洞」有多大呢?目前由於它的位置,距離我們實在是太遙遠了,而且以我們目前的偵測技術而言,還無法獲得該有的準確度,但咸信其「黒洞」的質量,必較目前已知最大的「黑洞」,還要來的大得許多。〔註:目前所知(已被證實)質量最大的「黒洞」,存在於一位在「柏修斯銀河聚落(Perseus cluster)」中的「NGC 1277」銀河系中心,其質量高達 170 億個太陽的質量。〕

除了針對更巨大「黑洞」的搜尋外,科學家們也開始思考,在如此巨大質量「黑洞」外圍的「引力場(gravitational fields)」,是否也會形成如一般流體中的渦流(eddy and swirl)?因為在高能量狀態下,利用數學的演繹方式,「引力」可以「場論(field theory)」予以描述。也就是說,若「引力」能被視為一種「流體(fluid)」,那我們在流體中常見的「紊流(turbulence)」,應該也能在「引力場」中測得。下圖所示,即是電腦模擬下靜止時的示意圖(credit: NASAfrom"Turbulence around black holes stirs up spacetime" http://www.sen.com/news/turbulence-around-black-holes-stirs-up-spacetime ),注意在「黑洞」周邊的時空,已呈現有如渦旋般的紊流。當然,目前來說,這種看法僅止於理論上的探討,是否真是如此,還得借助新一代的偵測儀器,予以證實。


經過前面一系列短文的介紹和說明,相信讀者對「黑洞」這個存在於天體中的奇特天文景象,應有了初步的了解。當然,這些了解,嚴格說來,僅止於對其表觀的認知,對於「黒洞」內部裡的一切物理現象(例如,我們目前熟知的所有自然律),根本上說來,還是茫然無所知。我個人私下的看法是,我們固然找到了潘朶拉的盒子(Pandora's box),但盒隱藏的秘密,還有待未來科學家們持續的努力,才能予以揭曉。屆時若有任何重大的突破,我當再為文向大家介紹,有關「黑洞」的說明,也就在此先行打住。