2014年4月23日 星期三

DDS041-「黑洞(V)」-「黒洞」和「蟲洞」」

         註:善意提醒,你(妳)若使用 iPad, 請用它來閱讀,不但可以看到高解析度圖片和精美版面設計,也能增潻我各文章的可讀性,算是另外一種閱讀的樂趣。

〔承前文DDS0402)要談論「黑洞(black hole)」和「蟲洞(wormhole)」間的關係前,讓我們先來了解下何謂「蟲洞」?首先,它是源自「愛因斯坦」的「廣義相對論」,由於「時空」的曲伏(warping),宇宙中的兩個個別「時空」間,或能有一「通道(passage or path)」將兩者連結在一起,這一通道,最早於 1935 年,由 Albert Einstein and Nathan Rosen 共同提出,又被稱為 「愛因斯坦-羅森橋(Einstein-Rosen bridges)」 或暱稱為所謂的「蟲洞(wormholes)」。〔註:雖然此「蟲洞」,也是由 John Wheeler 1957 年所命名,但是早在 1921 年時,德國數學家 Hermann Weyl,在研究電磁場能量時,即已提出了有關「蟲洞」的理論。〕

           簡言之,「蟲洞」就是連結不同「時空」間通道的入口。下圖(creditedobric/Shutterstock)即為「蟲洞」的示意圖,它有兩個入口(mouths),中間以一「通道(tunnel)」或「管道(tube)」相連,看來有如蟲類掘鑿的洞穴,故名之為「蟲洞」。讀者可以把「時空」,想像為一張 A4 大小的白紙,由於「時空」的曲伏,你可以把該白紙捲曲如圖所示,也由於「時空」曲伏程度的不同(因為呈現在「時空」中,物體質量大小各有不同,質量大者曲伏大,質量小者曲伏小),記得前文提到的,「黒洞」中心的質量為無限大,因此其曲伏也最大,而「引力」也變得無限大,能把所有周遭物質襲捲而入,因此科學家咸信,「黑洞」很可能就是「蟲洞」的入口,而其另外一端,就是所謂的「白洞(white hole)」,為所有物質和光線的出口。


其次,讀者也可以想見,原來在平面上任兩點(代表不同的「時空」範疇;下同)的距離,也因「時空」的捲曲,藉由「蟲洞」通道的存在,形如該兩點間的一個捷徑(shortcut),也就是說,原來兩點間的距離大幅縮短了,而往返兩點間的時間也就大大減少了,使得萬物(包括我們人類),往返不同「時空」,也變得不是不可能的了。因此,它常被許多科幻電影做為題材,透過這類「蟲洞」,形同所謂的「時光隧道」,讓我們能夠返回到「過去」,也能預先到達「未來」,在不同時空尺度上,四處愜意遊蕩(見下圖;creditGetty Images; from: http://www.history.com/news/ask-history/what-are-wormholes)。


         當然電影歸電影,實情是:科學家迄今還無法偵測到這類「蟲洞」的具體存在(它只是「廣義相對論」,在理論上的預期結果)。即使如此,依據「廣義相對論」,其通道的直徑大小約僅有 10–33 公分,因此人或載具,想藉由它往返「過去」或「未來」,甚或另一「宇宙」,目前看來還是無望的。此外,依「廣義相對論」的演繹,任何物體(包括人在內)一旦進入「黒洞」,由於其巨大「引力」的拉扯,將變成粗細如麵條(spaghetti)般,此現象稱之為spaghettification(見下圖;credit: Ashley Corbion of http://atramateria.com/),根本不可能存活的。另外,此類「蟲洞」,即使真的存在,但因為其強大「引力」的作用,呈現極端的不穏定,在它形成的瞬間也就立即崩陷(sudden collapse)了,總之,對於人類夢想藉由它來,進行時空交互或宇宙漫遊(如科幻電影),以目前已知的理論看來,幾乎是完全不可行的。


         前面提到,依據「廣義相對論」的數學(即理論上)推導,宇宙源自一個「單點」,而且「黑洞」由於其巨大「引力」的存在,又被視為可能即是「蟲洞」的入口,萬物進入之後,都「煙消霧散」,不知胡底。就此一層面來看,這是「廣義相對論」的極限和罩門,依照 John Wheeler 總結「廣義相對論」的名言:「時空」告訴「物體」如何運轉(或運動),而「物體」告訴「時空」如何曲伏(或扭曲)(Spacetime tells matter how to move, matter tells spacetime how to curve),這句名言,是我閱讀愛因斯坦「廣義相對論」中,有關「引力」的最精準詮釋,相信讀者也能體悟此名言的真諦,也就是説,這句話道盡了,「引力」和「時空」一體的本質,而你也就不用再懷疑:為什麼「引力」不是「力」?這個牢固在你個人日常生活中的知覺體驗了!

其實,「愛因斯坦」在他完成了「廣義相對論」的論述後,窮其一生餘力,一直在尋找,一個能解釋宇宙萬物(由巨觀的天體到微觀的次原子粒子)的自然律(Theory of Everything),也就是希望能把「相對論(環宇尺度)」和「量子理論(次原子粒子尺度)」結合為一體,可惜迄今尚無人(包括「愛因斯坦」他自己本人和以「費曼(Richard Feynman)」等為首的許多後繼傑出科學家們)能臻此境界。直到 2006 年, Ashtekar 和他的研究團隊,利用「環量子引力(Loop Quantum Gravity,簡稱 LQG)」的理論,來探討宇宙的起源,並將「時空」界定為一由 10-31 公尺大小區塊組成的綱狀物時,赫然發現他們同樣可以把宇宙的起源,回溯至「大爆炸」窄始之時,但卻不需有那「單㸃」的存在。

隨後,在 2013 年,Gambini and Pullin 兩位學者(Reference”Loop Quantization of the Schwarzschild Black Hole” Phys. Rev. Lett. 110, 211301),更利用此 LQG 理論,進一歩提出一個新的「宇宙」形成模型〔註:稱之為「大彈躍(the Big Bounce)」理論〕,認為「宇宙」的生生滅滅,是以一種循環的方式進行,所謂的宇宙「大爆炸(the Big Bang)」,只是來自前一個「宇宙」的蹋陷(見下圖上;Credit from http://cdn.zmescience.com/wp-content/uploads/2013/05/bounce.jpg)。也就是說,這「環量子引力」理論,不但不會違背「大爆炸」理論,但又省卻了有關「單㸃」存在的困擾,甚而藉由此「蟲洞」〔註:在此模型中,稱為量子橋(quantum bridge)〕的存在,可以從我們目前存在的「宇宙」,通往另外一個「宇宙」(見下圖下;Credit from http://cdn.zmescience.com/wp-content/uploads/2013/05/wormhole.jpg)。




至此,經前文(DDS040)和本文(DDS041)的介紹,相信讀者對於這「看不見的宇宙秘境」(即「黑洞」),做為未來「理論物理學」研究的兩大前沿探討課題,應有了初步的了解。其實,有別於其他生物,做為一個有「自由意志」和「豐富想像」力的「自然人」,我們存在的價值即在此,而對「宇宙」本質的追尋和探索,只是其中之一,透過這些腦力的激盪,譲我們對自身存在的「宇宙」,能有更深一層的理解,在我看來,這才是生命的一種真正喜悅,也是我們曾經存在過的最好證明,你說是嗎?(待續)

2014年4月9日 星期三

DDS040-「黑洞(IV)」-「宇宙」源自「黑洞」?

前面三篇短文(DDS036DDS037DDS038),連續針對「黑洞」的名稱由來、它的特質和如何偵知它的存在、其依質量大小的分類以及其各自可能形成的不同機制,做了一些概括性的介紹和說明,相信讀者對此一宇宙中的深遽「秘境」,已有了初步的掌握。累積了這些成果後,科學家們(特別是理論物理學者)最近又針對「黑洞」這個議題,提出了兩個更勁爆的論㸃:(1)我們目前的「三維」宇宙,是否可能是來自「四維」的「黑洞」?以及(2)「黑洞」和「蟲洞(wormhole)」間的關係,它是否即是「蟲洞」的入口(portal),甚至能引領我們通往另一個宇宙?

由於這些論㸃,主要是來自深奧的數學理論推演,目前除尚無法以傳統的實驗或觀測予以驗證外,其中還包括諸多艱澀的數學演譯,實非我輩(非物理學的專業)所能理解,因此本文(DDS039)及下文(DDS040),將以淺顯的口語方式予以說明,有興趣的讀者,可依各人的喜好、數理程度,自行參閲相關的論著。但要提醒讀者的是,在閲讀過程中,你還是要「努力」提升你的「想像力(imagination)」,因為以下所述各種現象,大都是超乎我們日常經驗的範疇。其次,依我個人淺見,這兩個議題,應是往後十年間,在有關「黒洞」的研究上,兩大最熱門的主題,也藉此機會預先與讀者分享。

1)要理解第一個問題:「我們目前所在的三維宇宙,是否來自四維的黑洞?」我們必須先回顧下,所謂的「大爆炸(Big Bang)」學說。依據「大爆炸」理論,目前科學家們咸信,「宇宙」是源自於 138.2 億年前,一個體積小(有如一小塊方糖,約只有 1 立方公分大小),但質量卻無限大的「單點(singularity)」爆裂(burst)而來,再經由不同階段的冷卻和膨脹,形成我們今日所習知的天體,而且目前還在持續的加速膨脹中(參見前文DDS006DDS007 DDS027 之相關說明)。下圖(creditWikimedia Commons)即是依據「大爆炸(Big Bang)」理論,「宇宙」自「單㸃(singularity)」爆發後迄今之示意圖。要注意的是,「宇宙」固然隨著時間變得愈來愈大,但其膨脹速率卻大為不同,例如目前「宇宙」的膨脹速率,約為 67 km/s/Mpc(參見前文 DDS027-「宇宙膨脹說」),但在「單點」爆發後的瞬間(約一兆分之一秒),它的速率可高達 1046 km/s/Mpc


整體説來,固然這「大爆炸」學說自提出以來(1920 年代),歷經無數的理論和觀測驗證,已被科學界所認同,但它還有兩個主要的盲點,一是那所謂的「單㸃(singularity)」由何而來?二是它又如何「爆烈(outburst)」的?也就是說,「大爆炸」理論,只說明了「宇宙」自「單㸃」爆發後迄今之一切歷程和現象,但對這「單㸃」的存在,卻毫無交待或著墨,這其中原因,固然是因為所有目前所知的物理定律,碰到這「單點」時,均無用武之力(即超乎物理定律所能應用的範疇)。因此,若要深究「宇宙」的最終來源,這「單㸃」究竟何以存在、來自何方?又是如何引爆、膨脹至今的?就科學的完美性而言,終究必須嚴肅面對的。

針對這個惱人又看似無解的問題,近來以 Niayesh Afshordi Gia Dvali 等為首的科學家們,提出一個令人耳目一新的看法(Reference: Did a hyper-black hole spawn the Universe? Nature, doi:10.1038/nature.2013.13743),那就是,這個「單㸃」可能是來自存在於「四維」空間裡的「黑洞」,下圖(creditVICTOR DE SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY)即是藝術家們描繪該概念的示意圖。讀者不要質疑,這「四維」空間存在的可能性,因為依照「弦論(string theory)」,自然界中的空間,可以高達「十維」,再加上「一維」的時間,我們存在的自然界,應為「十一維」的時空(spacetime)範疇,只是我們人類的感官,無法查覺「三維」以上空間的存在


〔註:有關「弦論(string theory)」的學說,容我以後再為讀者做進一步的解説。但就不同「維度(dimension)」的存在和認知,可以下面例子予以類比說明:你喝飲料時,拿根「吸管」,在你眼前,這「吸管」是「三維」的,但你把它移到遠處,這時它看上去,只是一個細長條形(成為二維了),再把它移到更遠處,它看上去只是一條短線(一維)了,繼續再移到足夠遠處,這時它就孌成單一個㸃了。這時假如「吸管」上,還有螞蟻在四處爬動,對螞蟻而言,牠還是依著二維的管壁四處移動,但你看到的只是一個單㸃,而你還是知道,其實螞蟻是在三維的空間上活動。

再深入從分子、原子等粒子來看,你知道這「吸管」,是由分子組成,這些分子,又由原子組成,而原子又有原子核(內含中子和質子),但外圍又有電子環繞著,這可是「三維」的,只是我們無法以肉眼查覺吧了!事情還沒完呢,原子又由「夸克(quarks)」組成,這些「夸克」又由不同的「弦(strings)」,在三維的空間𥚃不斷地振動。所以,有關「維度」的概念,端看你身處的時空維度和感知而定,對浩瀚無際的環宇尺度(cosmic scale)而言,「四維」的空間,只算是小兒科,沒什麼好大驚小怪的!何況依據 Brian Greene 教授的預言,再過幾年科學家們,應可具體證實「四維」空間的存在。〕

至此,假定你可以接受這「四維」空間的看法,以下要來說明,我們「三維宇宙」來自「四維黑洞」的論證,就容易多了。首先,如同前幾篇短文所介紹,存在我們「三維宇宙」的「黑洞」,它的外圍環繞著一個形如薄膜(brane)的二維「event horizon」(請記得,越過這個界面,萬物即不復返),因此,科學家認為,我們的「三維宇宙」,其實是漂浮(float)在一個更高維的「四維宇宙」裡,而在四維空間裡的「黑洞」,它即能形成一個「三維」的「event horizon」。其次,就如同我們三維宇宙中「黒洞」的形成方式,當四維空間裡的星體,在其毀滅、塌陷的過程中(即形成四維「黒洞」時),其噴發(eject)出來的物質,形成了我們今天的三維「宇宙」。

以上這種論㸃的最大好處是,它適足以解釋,天文學者們困惑已久的問題,即為何我們的宇宙是如此的均一(uniform)?特別是溫度,它為何是如此一致(參見前文 DDS008-「宇宙微波背景」)?因為,依據「大爆炸」理論,我們「宇宙」形成迄今的時間只有138.2 億年,尚不足以能達到此一「溫度平衡(temperature equilibrium)」的狀態。下圖上(credit: Wikimedia Commons)即是此「三維宇宙」來自「四維黑洞」的示意圖,圖中的圓形黑暗區,你就把它想像為「四維黑洞」,而環繞在它四周的藍色斑駁區塊,就是我們的「三維宇宙」(把它想像成是一個球狀的三維空間的橫截面),要不,就給你一個更較具動感的示意圖(下圖下之的噴發狀態;Credit: ESO/M. Kornmesser)。




總之,假如將來這「宇宙來自四維黒洞」的理論,能被進一步證實的話,那我們迄今咸認「宇宙源自大爆炸」的固有說法,也就不得不被重新修正,甚或被掦棄了,而我們人類對宇宙的認知,也將進入另一個劃時代的視野。(待續)

2014年3月20日 星期四

DDS039-「2014年的 Pi Day」

時光飛逝,自去年三月我開始撰寫這個「布落格/博客(blog)」以來,轉眼間已屆一年,累積閱讀人次,已超過 12,325 人次,平均每篇㸃閲人數為 325 人,最高紀錄為 636 人,在此謝謝大家的支持,特別是有許多讀者,適時給了我許多寶貴的意見和指正,也再三致上我由衷的感激和謝忱,說實話,沒有你們的熱烈迴響和呵護,我個人是無法支撑這麼久的。

回想第一篇短文,肇始於去年的三月十四日,即所謂的「Pi Day」,它的意義有三:一是,這三月十四日,正巧是圓周率(π)的最佳近似值(3.14);二是,這一天為「愛因斯坦」的生日;三是,那一天也是「奚氏玻子(Higgs Boson)」首度被實驗證實存在旳日子(參見 DDS001DDS002DDS003)。無獨有偶,同樣的三月,今年(三月十七日),科學家們成功偵測到「宇宙大爆炸(the Big Bang);參見前文DDS006 DDS007」時的光波圖樣(light-wave pattern),如同去年「奚氏玻子」的發現,導致以「奚格斯(Peter Higgs)」教授為首的科學團隊,獲頒去年的「諾貝爾物理學獎」,論者咸信,今年這項難能的發現(discovery),也很可能贏得今年的「諾貝爾物理學獎」。

當然是否真能贏得這項「諾貝爾物理學獎」的科學桂冠是一回事,最重要的是,這代表二十五年來,天文學上最偉大的一項突破(上次是確認宇宙不但持續在膨脹,而且是加速膨脹;參見前 DDS027 文),讓我們對宇宙的起源(甚至萬物包括我們人類為何存在),能有更進一步的了解。這項突破,也頓時迎來所有媒體的關注和報導(台灣媒體當然也不例外,其中部分原因,固是因為該科研團隊中,有位來自台灣的美籍學者)。有關這項科學成果的介紹,容我在往後的短文中,再為大家詳細説明。

趁著現在還是三月天,讓我們就先回到「Pi Day」和「愛因斯坦」這個主題上來。在我近來的閱讀中,驚然發現,有一作者(Sean Carroll),以「愛因斯坦和 PiEinstein and Pi)」為題,發佈在網路上的短文(Reference and credit: http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/03/13/einstein-and-pi/),對「廣義相對論」公式中「π」的由來,做了一個鞭闢入理,但又淺顯易懂的解説,堪稱「科普」的經典之作,也讓我興起將它整理改寫的念頭,以與讀者分享。當然,有興趣也有起碼語文和數理能力的讀者,不妨逕自上綱查閲該文,相信你的體悟會比不材的我更深。我常想,一個真正的好科學,就是那些能以最簡單的數理公式,說明一個繁複的物理現象,而一個真正的好學者,就是能將繁複數理公式,背後所代表的事物真相,以最平易的方式予以表達。

在未正式介紹該文的實質內容前,容我先説一下我的另一個感想(算是一種讀後心得吧),那就是,「愛因斯坦」的偉大和迎得世人的推崇,其實並不在於他的科學成就(如「狹義/特殊」和「廣義/一般」相對論等),而是在於他能善用已知的數理參數,來譂釋新的物理現象。最有名的例子,就是大家耳熟能詳的 E = mc2 這個方程式,質量(m)蕴含能量(E),這在科學界是大家早已習知的事,但要把兩者勾串在一起,還需要一個參數/常數(parameter/constant),「愛因斯坦」的厲害就在這,他利用當時已知的光速(c)做為常數,推演出 E = mc2 這個現今大家耳熟能詳的方程式,説起來,他只用了三個數理符號,就道盡了宇宙亙古千百事,你能不服氣嗎?!

同樣經典的是,其「廣義相對論」中的「引力」公式(見下)。這公式窄看之下似乎相當複雜,特別是那些奇奇怪怪的符號,到底代表的是何方神聖?讀者老爺,你先別急,就把這公式當做是某種你不懂的外語,你只要知道它到底在説什麼即可。


事實上,這公式只是想告訴你:

「引力(gravity)」= 8 π G x「能量(energy)和動量(momentum)」

也就是説,「引力」是「能量和動量」的函數,其關係常數為「8πG」,其中 「G」為牛頓的「萬有引力常數」。即以此公式而言,你應該已發現其中有個「Piπ)」出現了,因此,我們要問的是:同樣談的是「引力」,為什麼當我們從牛頓的「引力」,轉換成愛因斯坦相對論的「引力」時,卻平白無故的跑出了個 π(即圓周率)來?

要回答這問題,其實也不難,讓我省略掉繁複的數理公式演算,直接用白話文來告訴你,其中幾個最關鍵的基本概念。首先,你知道牛頓的「引力」公式為:


其次,任何兩物體間,彼此所引發的「引力場(the gravitational potential field;通常以「 Φ 」來標記)」為:


到現在,你還沒看到「π」出現在公式裡,先別急,這主要是因為,我們目前還只是針對單一個物體的「引力」效應,要是我們探討的是許多物體,同時呈現在三維空間中,那它們彼此間相互影響的「引力」,就必須涉及每單位體積中呈現的質量(稱為「質量密度(mass density)」;通常以「ρ」表之),將這「引力場( Φ )」和「質量密度(ρ)」間的關係,以 Poisson’s equation 表之,即可得以下公式:


這下,你看,盼了半天,「π」總算出現了,至於公式中那倒三角形符號(稱為 gradient operator),只是一種數學運算上的轉換,主要是用來描述「引力場」在三維空間上的變動方式。最後,你當然不要忘,既然是探討三維空間中,各個物體間的相互「引力」效應,你可以把每個單一物體,視為一個球體的中心,向外延伸若干距離(r;即該球體的半徑),此時該球體的表面積(A)為:


㯫此,「愛因斯坦」發現,要描述「引力」這個現象,不要單單從兩物體間的作用力來看(即「牛頓」的看法),應以「引力場」的概念來理解,而這「引力場」的計算,又必須透過球面的積分,加總而來,既然如此(因扯上了球面),那當然就和「π」成正比了,也就是如其「廣義相對論」中的「引力」公式所示。

         回到文首「愛因斯坦」的「引力」公式,你也可以發現,左邊的常數為 「8πG」,其實「愛因斯坦」在推導這「引力」公式時,大可自己再創造一個新的參數符號,來代替此「8πG」,但是他並沒有這樣做,還是借用大家習知的參數「π」和「G」,你説他慧黠睿智也好,他本性純良也好,總之,這種純一的人格特質,才是我們後輩學者,理應師法的為學態度。謹以此文,追念今年「愛因斯坦」第 135 歲的生日(三月十四日;Pi Day)。

2014年3月9日 星期日

DDS038-「黑洞(III)」

(承前文)因此,近來科學家又提出另外兩種看法:(4)這類「黑洞」,很可能是在早期宇宙演化過程中,不同銀河系間的相互碰撞,使得其原本各自有的「黑洞」,相互結合、融聚在一起而形成的。例如(見下圖;為畫家筆下所描繪的圖像;creditNASA),新近(去年 12 10 日發表於 Astrophysical Journal 期刊上)科學家發現,位在離我們地球 38 億光年遠處(代號為 WISE J233237.05-505643.5),有一共伴「黑洞」,正在相互繞,逐漸形成一超巨大質量的「黑洞」(supermassive black hole)。〔註:WISE 為美國航太總署 Wide-field Infrared Survey Explorer 的縮寫。〕另也有學者指出:(5)要有這類「超巨大質量的黑洞(supermassive black hole)」,在其形成窄始時,就必須要有一個「超巨大質量的星體(supermassive star)」存在,然後如同前面所述的單一星體一樣,這些巨大質量的星體,經由逐步、重複冷卻和塌陷,且不斷地吞噬、吸入周邊的物質,最終形成了我們今天所能偵測到的這些「超巨大質量的黑洞」。


讀者老爺千萬不要小看以上這些不同的看法,以為它們只是「想之當然爾」,要知道「科學」可是要講「證據」的,這些不同假說的背後,當然都有紮實的科學依據,就以第(5)種說法為例,科學家們利用觀測(主要是「重力波(gravitational wave)」為主)和數值模型推演,發現在此「超巨大質量星體」的形成過程中,由於其超巨大「引力」所造成的快速旋轉(spinning),在其周遭先形成一密度不均的渦旋,此渦旋再經聚合、塌陷,形成兩個較小的「黑洞」,再由此兩「黑洞」逐步聚合,才形成今天所偵測到的這類「超巨大質量黑洞」。下圖(creditChristian Reisswig/Caltech)所示,由左上至右下,即是此類「黑洞」,在不同階段的演化過程,其中藍色的深淺,分別代表的是密度的高低,而最終右下圖幅中的白色中心即是「黑洞」所在之處。


此外,「黑洞」其實也可視為宇宙中物質和能量的滙集區(sink),由於它的存在,把周遭相鄰的物質甚或星體逐步吞噬殆盡。但是,在科學家們觀測,體積大小、質量不同的各種「黑洞」,發現除了在其周圍有一「增生碟狀渦旋(即 accretion disc)」外,在「碟狀渦旋」的中心處,也往往伴生一垂直的柱狀噴出物(主要由高能量的粒子組成;見下之示意圖,fromhttp://scienceblogs.com/startswithabang/2010/09/10/q-a-how-can-anything-come-from/ )。好奇的讀者,可能馬上會說,這怎麼可能呢?因為,即然「黑洞」所造成的「引力」是如此巨大,那又怎麼可能有這些噴出物呢?


事實上,依霍金(Stephen Hawking)博士的說法,這些粒子並非來自「黑洞」的內部,而是來自其「event horizon」的外圍。此外,依「量子理論(quantum theory)」的說法,宇宙間的所有次原子粒子(subatomic particles),均可分為「負質量粒子(negative mass particle)」和「正質量粒子(positive mass particle)」兩種,前者在進入「event horizon」後,即被「黑洞」的巨大引力所吞噬,而後者則由「黑洞」以「輻射(radiation)」形式激射出來,形成前面所說的噴發物(jet),這種噴射出來的輻射,稱之為「霍金輻射(Hawking radiation)」。反觀那些「負質量粒子」,科學家們咸信,在它們進入「黑洞」後,能把「黑洞」內部的質量逐步吞噬殆盡,導致「黑洞」的塌陷(collapse)和之後的爆炸(explore),甚至毀滅。當然,有關這部分的進一步深入解釋,因牽涉到更複雜深奧的「量子理論」,非我能力可及,就此打住。有趣也姑且聽之的是:有人說,「世上懂得「相對論」的只有三個人,而懂得「量子論」的只有兩個人」,我當然不是這二、三人,讀者也就可以原諒我的能奈有限了。

雖然與「黑洞」伴生的噴出物,長久以來,已被證實,但是讓天文學家一直深感困惑的是,像我們銀河系中心「Sagittarius A*」這樣的超大質量「黑洞」,理應有更大量的噴出物,可是利用傳統觀測方法,一直無法確認。直到去年天文學家利用來自 the Chandra X-ray Observatory 最新 X-光(紫色)和無線電波(藍色)的觀測技術,終於證實這些噴發物存在的證據(Reference: Evidence for A Parsec-scale Jet from The Galactic Center Black Hole: Interaction with Local Gas accepted in the Astrophysical Journal)。下圖(creditX-ray: NASA/CXC/UCLA/Z.Li et al; Radio: NRAO/VLA)即是利用所得數據組合而成的圖片(紫色為得自X-光的圖像,而藍色來自無線電波的數據),圖中也同時標出這些高能量的噴發物,由「黑洞」周緣爆發出來後,撞上彌漫在遠處(約好幾光年遠)的氣體後,所造成「撞擊前沿(shock front)」。


其次,進一步的研究指出,「黑洞」大都是在宇宙形成(約 138 億年前)後的 4-8 億年間所形成。下圖(credit: NASA WMAP Science Team; K. Teramura, UHifA; NASA/JPL-Caltech, A. Kashlinsky (GSFC); NASA/ESA, S. Beckwith (STScl), Hudf Team)所示,左邊為「宇宙的微波背景圖(cosmic microwave background;見前「部落格文DDS008」的說明)」,它代表最早期的宇宙,其溫度的分佈和變化,這些溫度的些微不同,又代表著密度的大小差異,其中密度大者,最終就形成了,我們今日所見的各銀河星體。此後,宇宙進入一,歷時幾億年的「黑暗期(Dark Age)」,直到第一個星體形成後,熾射出第一道光芒為止。在此同時,「黑洞」也開始聚引其周遭氣體,逐步增長。在這些過程中,有部分的紅外線(infrared)和 X-光射線(X-ray),迄今仍保留在宇宙中,能被科學家們所偵測得到。利用研判此類射線的強度分佈變化,科學家們相信,「黑洞」在早期宇宙中的「活動力(activity)」,至少數百倍髙於現今的活力。



事實上,在漫長的宇宙演化史中,科學家們咸信,這些星體由於其燃燒殆盡,塌陷成為「黑洞」的個數(看不到了),遠較現今我們所能觀測到的星體(以我們地球所在的銀河系來說,就有數千億之多),為數絶對多多了。也就是因為它們的存在以及所造成的「引力」,才使得我們的銀河能如此快速的旋轉(因為,若僅以目前可見的星體數,是絶不可能的)。(待續)

2014年2月23日 星期日

DDS037-「黑洞(II)」

(承前文)下圖為去年八月底,科學家發表在「科學(Science 341, p.981-983; DOI: 10.1126/science.1240755 by Wang et al., 2013)」上,有關「Sagittarius A*」的最新圖像,其中左下圖,即是以離「Sagittarius A*」一光年遠的近距離圖像,其中包括數千個星體及其臨近的「氣雲(gas clouds)」,而右下圖描繪的則是環繞其周遭的具高磁性「等離子體(plasma)」,所熾射出來在不同光譜的射線(credit:左下圖:European Space Observatory/Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics/M. Scartmann; 右下圖:S. Noble)。此外,近來也有一個稱為 BlackHoleCam 的歐洲科學團隊,由歐盟科學委員會(the European Research Council)出資近二仟萬美元,利用一種「Very Long Baseline Interferometry (VLBI)」的最新觀測技術,針對我們太陽系的「Sagittarius A* 黑洞」及其「event horizon」,進行實體拍攝,希望能對「我們雖然知道它們的存在,但又無法看得見」的窘境有所突破,就讓我們拭目以待。


接下來,你可能也會好奇,雖然我們可以偵知「黑洞」的存在,但又如何能判定它的質量大小(例如上面說的「超大質量」)呢?首先,如前所述,你雖然看(see)不到「黑洞」,但你還是可以感受(feel)到它的存在,至少繞其運轉的星體,由於其巨大引力的牽引,可以感受它的存在。據此,科學家們利用「刻卜勒的行星運動定律(Kepler’s laws of planetary motion)」,藉由觀測該星體,繞轉該「黑洞」軌道的周期和其離中心的距離,即可計算該「黑洞」的質量大小。

一般言之,「黑洞」有大有小,其質量可從 10 個到 100 億個以上我們太陽的質量。對那些質量超巨大的黑洞,顧名思義,天文學上稱之為「超大質量黑洞(supermassive black hole)」,以我們所在的銀河系為例,依此法的推估,「Sagittarius A*」黑洞的質量約等同 410 萬個我們的太陽,它的直徑大概橫跨 6.2 個光年長(約 60 兆公里),大約為「天王星(Uranus)」繞行太陽軌道的直徑那麼大,也因為其質量是如此的巨大,我們才稱它為超大質量的「黑洞」。

事實上,不只是我們的銀河系,宇宙中每一個大的銀河系,都隱伏著一個超大質量的「黑洞」,它們的質量可等同於,百萬至百億個我們太陽的質量,例如,在最著名 Sombrero 銀河系中心的「黑洞」,依科學家推估,該「黑洞」目前的質量,約等同於 5 億個太陽,而去年 12 月間,科學家們也首度發現,離地球約 13 億光年遠處,在「PKS 0745-19 銀河聚落(the galaxy cluster;見下圖;creditNASA/STSci)」的中心,有一質量可能高達約 400 億個太陽質量的「黑洞」,也因此,科學家深信,宇宙間質量超過 100 億個我們太陽質量的「黑洞」的數目,絶對比我們想像中還多,對這些「黑洞」,天文學上歸類予所謂的「超特大質量黑洞(ultramassive black hole)」。


〔註:一般說來,「銀河聚落(galaxy cluster)」指的是在宇宙間,以「引力」為疆界,聚集了超過 50 個銀河系的範疇(最多可達近千個銀河系),而少於 50 個銀河系的,則稱之為「銀河族(galaxy group)」。「銀河族」的直徑大小可達 2 Mpc1 Mpc 大致等於 3,262,000 光年,即約 3.2 x 1019 公里),其總質量約為我們太陽質量的 1013 倍,其擴展的速度每秒可達 150 公里。相較之下,「銀河聚落」的大小可達 10 Mpc,其質量為1014 to 1015 個太陽的質量,其擴展速度更可高達每秒 800 1000 公里。例如,我們所在的銀河系(Milk Way),它是在一稱為 the Local Group 的「銀河族」(含約 40 個不同的銀河系)中,而位在「處女星座(Virgo constellation)」的「處女銀河聚落(Virgo cluster)」,含有 1,300 多個銀河系,而宇宙間最大的「銀河聚落」,稱之為 「the Great Attractor」(見前DDS029之文)。〕

對於這些超大質量的「黑洞」,它們所造成周遭物質的渦旋速率,更可高達 84% 的光速,讀者可以想像其之巨大和可怕,尤其從愛因斯坦「廣義相對論」來看,它所引致的「時空曲伏(the warping of spacetime)」,將是何等壯觀,這也就是為什麼,連光線也無法,越踰它而去。當然,大多數這些「黑洞」目前都處在一種靜止休眠(dormant)的狀態,其中僅有少數一些目前還在活躍(active)階段,後者正在把其周遭的物質,持續的拖曳向其中心,形成一個所謂的「增生碟狀物(accretion disc)」(見下圖;credit: Wolfgang Steffen, Cosmovision),這些「超大質量黑洞」往往和銀河系伴生在一起,而且大都在銀河系的中心,也直接影響了,該銀河系的大小。例如,上述Sombrero 銀河系中心的「黑洞」,它每 20 年,就可以呑噬等同一個太陽的質量,至於我們銀河系的那個 「Sagittarius A*」黑洞,它的胃口就小多了,大概每 1,000 年,才吞噬一個太陽的質量。


以上所述,其實也涉指了另一個更重要的問題,那就是:「黑洞」是如何形成的?歷經多年研究的積累,科學家們咸信,「黑洞」的由來,視其質量的大小而有所不同,就單一較小的「黑洞」而言,它們應是源自各別恆星,在其燃燒殆盡的毀滅過程中,經由逐步、重複冷卻和塌陷、最終聚融成一體積小,但密度幾近無限大的核心而來,由於其巨大的質量和引力,在其中心處,所有的物質(包括光)均被收斂成一個「單點(天文學上稱之為 singularity)」。在此「單點」鄰近的「時空曲伏(spacetime warping)」也變得無限大,此時我們所知的所有物理原理(包括量子力學和廣義相對論)也變得無法適用,也就是說,我們對這 singularity 的了解,已超乎了目前我們人類科學認知的範疇了。


至於那些超巨大質量「黑洞」的成因,目前科學家們的看法則頗為分岐,約略來說,大致有五種不同的見解:(1)它們是由質量較小的「黑洞」,不斷地吞噬、吸納入周邊的物質(主要為氣體),而持續逐步增大而來;(2)它們主要是藉由吞噬、吸附了鄰近的其他星體,逐步積累而成;(3)它們是由相鄰的不同「黑洞」融合而成。當然,以上這三種假說,都面臨一個共同的難題,那就是:上述這些過程,估計至少需要數十億年的時間,才有可能形成這些超巨大質量的「黑洞」,因而無法解釋「在宇宙形成的初期(即 10 億年內;見下篇 DDS038 的進一步說明),它們即已存在」的事實。(待續)

2014年2月9日 星期日

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 1783  年發表於 Philosophical Transactions of the Royal Society of Londonvol. 74, pp. 35)論文中,有關「黑洞」的一頁 (credit and sourcethe 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 1 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;creditsdecoret/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,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)



2014年1月19日 星期日

DDS035-「引力(II)」

另外一個和「引力」相關的有趣科學問題是:這個在「宇宙」中,無所不在的「引力」,在「宇宙」一開始形成時,就存在了嗎?因為,我們知道,「引力」只能存在於「三維(three dimensional)」的空間 (space)裡,在「一維(one dimensional)」和「二維(two dimensional)」空間中是不存在的。因此,要是「宇宙」在剛開始形成時,並非以「三維」的空間存在,而是在一個較低維的狀態(a lower dimensional state),那就應該沒有所謂的「引力」了。

要回答這個問題,就不得不先來了解下,宇宙的「維度演化(dimensional evolution)」這個概念。該概念認為,我們「宇宙」的空間維度,也和生物一樣,可以隨著時間(切記!「時間」永遠是「一維」的),而逐步由「低維(lower dimension)」演化到「高維(higher dimension)」的。因此,「宇宙」的空間在「大爆炸(Big Bang)」之後的瞬間,只是「一維」,那時候的「宇宙」,看起來就像是一條直線。之後,隨著「宇宙」的逐漸冷卻和膨脹,這時原為「一維」的空間,就演進成,有如一張薄薄白紙般的「二維」空間,最後才進化到現今的「三維」空間。事實上,科學家們的研究進一步指出,「宇宙」由「一維」演化到「二維」的時間點,應該是在「宇宙」冷卻至能量,約等同於 100 兆電子伏特(TeVtera-electron volts)時,經此之後,「宇宙」繼續冷卻和膨脹,到約 1 兆電子伏特時,才演變成現今的「三維」空間。

以上這種臆測,當然絶非憑空想像揑造(參考文獻:Detecting Vanishing Dimensions via Primordial Gravitational Wave Astronomy, Mureika & Stojkovic, Phys. Rev. Lett. 106, 2011. DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.101101),而是因為科學家,在測量「宇宙射線(cosmic ray;主要為一種來自我們太陽系外的極高能量粒子)」的能量時,發現那些能量大於 1 兆電子伏特的粒子,均依一特定的方向,沿著平面前進,這表示,當「宇宙」在某一特定能量之上時,粒子僅能以「二維」方式行進(即無法如現今,以「三維」方式行進)。因此,若以上「宇宙演化」的假說屬實,那我們可以說,在「宇宙」窄始時的一段時間裡,還未進化成現今的「三維」空間前,那時的「宇宙」應該是沒有「引力」的。

此外,還有一個發人深省,而又極富挑戰性的科學議題是:我們生活中習以為常的「引力」,是否又只是一種「幻覺(illusion)」?記得前文(DDS034)談到,愛因斯坦的「廣義相對論」,認為牛頓的「萬有引力」,根本不是「力」,而是一種「幻覺」,一種因為「時空曲伏」下的「幻覺」,這種對「引力」的重新詮釋,歷經百年,仍然屹立不搖。然而,在 2010 年時,有位世界著名的丹麥理論物理學家 Erik Verlinde(他於 2011 年,獲頒代表丹麥最高榮譽的 Spinoza 獎,該獎咸被譽為是丹麥的「諾貝爾獎」),在其論文(題目為:On the Origin of Gravity and the Laws of Newtonhttp://arxiv.org/pdf/1001.0785.pdf)中,指出「引力是不存在的(gravity doesn’t exist)」。他以也是我們日常所習知的「溫度」作為比喻,雖然我們每人都可以感受到溫度的變化,但是你深一層來想,從微觀的分子(microscopic molecules)角度來看,其實根本沒有所謂「溫度」這東西的存在,有的只是它們的平均「能量(energy)」而已(能量大、溫度高,反之亦然)。

同樣地,Verdelin 的訴求邏輯是從熱力學(thermodynamics)中的熵(entropy)出發,認為「引力」可以從物體的位置(position)和運動(movement)的改變,所引發的 「熵力(entropic force)」 來解釋〔註:我們熟知的滲透作用(Osmosis),即是一種熵力作用下的現象〕。他進而指出,雖然我們慣常把「引力」視為自然界中的四個基本力之一(fundamental forces;其他三個為強力、弱力和電磁力),事實上「引力」不同於其他三個力,它並沒有用來傳遞「引力」的力場(force field)(例如,「電磁力」有「電磁場」),因此,他認為「引力」是一種「即發性(emergent)」的力,而不是基本(fundamental)的力。「即發性」的意思是說,只要一度有物體出現(emerge),「引力」就以「熵力」呈現。他巧妙地從熱力學中熵的公式,利用進一步的數學推導,最終可以得到我們所熟知的牛頓和愛因斯坦的「引力」公式。在他論文中,有許多深具啟發性的看法,有興趣的讀者,不妨從以上網址下載,予以進一步的閱讀。

再回過頭來,看一下牛頓的「萬有引力」的公式(見下圖,又是另一張我閱讀中發現的經典卡通畫作;from http://www.theguardian.com/science/2013/oct/13/newtons-universal-law-of-gravitation),該公式是牛頓於 1687 7 月發表在他「自然哲學的數學原理(the Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica)」一書中,既簡單又實用的公式,它可用來說明,你如何能站穩在地上、我們太陽系中的各行星,如何在其各自軌道上繞著太陽運轉,以及利用它把人類送上月球等等,不一而足。這時,你可能也會好奇,物體間的「引力」,為何是隨著兩者間距離平方(r2)的增加而遞減,而不是隨著距離遞減,或距離的三次方遞減?要回答這個問題,我們就必須知道,一般科學(特別是物理學)在討論自然現象時,往往是不問「為何(why)」,只問「如何(how)」的,「引力」作為自然現象之一,用來描述它的「萬有引力公式」,自不例外。以地球繞日運轉為例,「萬有引力公式」告訴你的只是:地球「如何」繞日運轉,但不能告訴你:地球「為何」繞日運轉,也就是說牛頓「萬有引力定律」(Newton’s law of universal gravitation),告訴你的是,在含有兩物體的系統中,其在「引力」影響下的行為反應。


            當然,你若非要打破砂鍋問到底(即「引力」為什麼非要是和「距離平方」成反比?),我也只能拼了老命試著回答你。還是拿我們太陽系中,行星繞日做列子(見下圖;太陽在圖的中心,四周依序由內而外,環繞著水星,金星、地球、火星、木星以及介於火星和木星間的小行星帶;參見前文 DDS023-「宇宙有多大?」;creditPetr Scheirich, 2005, via http://sajri.astronomy.cz/),你有沒發現,這些繞日運轉的行星,它們的軌道都是穩定且呈現封閉的圖形(大致),也就是說,不管從哪裡開始,繞了太陽一圈後,它們必然還是回到原點。不要小看這個現象,它在數學上可是大有意義的。首先,你知道所有「力(forces)」都是一種「向量(vectors)」,表示除了大小(magnitudes)還有方向(directions),以我們太陽系為例,這些「力」的方向,都是朝向太陽的中心。


             其次,你要知道,自然界中的「力」,依其改變和距離的關係,只有兩種(這可是有理論可以證明的),一種是它依循著其大小隨著「距離的平方」而改變(如「引力」),另外一種則是,它僅隨著「距離」而改變(如彈簧上掛著重錘)。很清楚,你知道,為了要讓物體沿著一固定而封閉的圓形軌道運行,你就只有一個選擇,那就是,維持它運轉的「力」,必須是隨著「距離的平方(r2)」而改變,也就是所謂的「引力」,其公式為Fg = G (m1 x m2) / r2(參見前文DDS034)。

最後,要特別提醒讀者的是,「愛因斯坦」對「牛頓」「萬有引力」的全新闡述,並不是説「牛頓」的「萬有引力」錯了。記得前文(DDS034)所説,「牛頓」當初開始思考「萬有引力」時,認為使得蘋果掉落到地面上的「力」,可能也和月球繞行地球的「力」是相同的。事實上,也的確是如此,只是我們無法察覺而已,也就是說,「月球」確是一直向地表「墜落」,而且這種「墜落」已經持續超過了 40 億年(因為月球已存在了 40 多億年;見前文DDS024DDS025 DDS033)!只是「月球」每一瞬間的「墜落」距離,正好和「地球」自轉,所造成的垂直落差(即沿著月球-地球的軸線)相同,所以看起來,它好像永遠高掛空中,繞著地球運轉,不像蘋果一樣,直接掉落到地面上來,反過來說,要不是這樣不停的「墜落」,「月球」早就遠離「地球」而去了。因此,「牛頓」的「萬有引力」對用來解釋「月球繞行地球」和「太陽系中各行星繞行太陽」的運動,均能適用無礙,只是在更大的宇宙尺度上,「愛因斯坦」「廣義相對論」中的「引力」概念,更能貼切解釋所有天體中的運動規律。(全文完)