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解密黑洞與人類未來
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內容簡介

這場全球數百名專家參與的科學發現,仰賴勇氣、毅力、專業技術,以及複雜的組織工作。法爾克以自傳的方式描述他所扮演的關鍵角色,提供了更廣闊的視角,讓我們瞭解宇宙,還有我們在宇宙中的位置,即使不是科學家,也能享受這本簡單易讀的書。 ——馬丁.里斯(Martin Rees),英國皇家天文學家 為黑洞拍一張照片看似不可能辦到,但法爾克團隊成功了。法爾克以個人的視角,寫下這趟不可思議的旅程。 ——布萊恩.施密特(Brian Schmidt),諾貝爾物理學獎得主、澳大利亞國立大學副校長 法爾克是事件視界望遠鏡計畫在歐洲地區的主角,這次黑洞影像成果的關鍵人物之一。黑洞「陰影」這個詞,就是源於他的理論研究。這本書生動的描述事件視界望遠鏡團隊在2017-18年之間,如何產生最終影像的過程。提供讀者一窺現代天文研究的第一手資料。此書終章關於科學與宗教的對話,是科學家內心深層的表述。值得有興趣的讀者仔細思考。 ——陳明堂,中研院天文及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長 蘇格拉底說「我知道我一無所知」 但我們並沒有讓無知限制了我們的想像 人類史上第一張黑洞照片在2019年4月公開, 這個超大質量黑洞位於M87星系,比太陽大65億倍。 「我們窺探宇宙,在距離我們五千萬光年遠的地方,看到了黑洞。」 事件視界望遠鏡主席法爾克的演講開場看似輕描淡寫, 背後承載的卻是無人知曉的曲折艱辛。 法爾克任職於荷蘭奈梅亨拉德堡德大學, 在修讀博士學位時立下拍出黑洞照片的遠大目標, 最初沒人相信他可以成功。 他花了近二十年遊說歐洲研究議會, 整合全球兩百多位科學家一同投入,將夢想化為可能。 過去,黑洞代表人類無解的謎,它打亂所有物理原則。 當我們試圖窺向黑洞時,不禁害怕科學理論會因此瓦解。 法爾克詳細解構黑洞和背後的科學知識, 帶我們面對人類對未知的恐懼也提出人文省思, 人類是否有辦法理解全部的大自然運作法則和其源頭? 科學又能帶我們到多遠? 作者說,儘管宇宙仍有諸多謎團尚未解開, 決定人類真正力量和價值的不是科技,而是我們自己。

目錄

前言 我們眞的看得見黑洞 關於本書 第一部 穿越空間與時間 第1章 人類,地球,月亮 第2章 太陽系與我們的宇宙演化模型 第二部 宇宙之謎 第3章 令愛因斯坦歡天喜地的想法 第4章 銀河系及其恆星 第5章 死星與黑洞 第6章 星系,類星體,以及大霹靂 第三部 邁向第一張黑洞影像 第7章 星系的中心 第8章 影像背後的思路 第9章 建造全球望遠鏡 第10章 展開遠征 第11章 影像形成 第四部 超越極限 第12章 超越想像之外 第13章 愛因斯坦之外? 第14章 全知與局限 致謝 事件視界望遠鏡作者列表 詞彙表 圖片出處 附注

內文試閱

蟲洞 我小時候和父母住在一大棟公寓裡。公寓後方的庭院有一個沙坑和一小片草地,整個庭院由堅不可摧的牆圍住。我很想知道牆的另一邊有什麼,因此終於忍不住開始用指甲和棍子在石板之間挖了一個洞。對我的小手來說,這是極其艱辛的工作。我趁著大人沒注意的時候祕密進行了幾個月。洞漸漸變大,但我一直沒有成功穿牆,那堵牆實在太堅固了。 後來我大到可以上學了,忽然能夠探索牆後的世界——因為學校正好在牆後。那個過去未知的神祕領域,不需要穿過牆,只要離開後院,繞過房子,然後穿過一道大門,就能夠抵達。有時我們就是得多點耐心,等長大以後才能瞭解直接穿牆並不是正確的道路,而正確的道路需要繞點路。 直到現在,我對於牆和邊界仍有股同樣的好奇心。另一邊有什麼?我們能突破自己的極限嗎?我們有辦法繞過黑洞的黑暗之牆嗎?在事件視界的某處會不會有個缺口,讓我們可以窺視裡面,或甚至繞進去嗎? 愛因斯坦在1935年與助理羅森(Nathan Rosen)討論黑洞內側的情況時,也問了同樣的問題。就數學上來說,方程式也容許與黑洞相反的天體,稱為白洞,東西只出不進。讓事情更加複雜的是,理論上白洞與黑洞有可能藉著一條「橋」相互連接,於是就有了東西從黑洞進去,再從白洞出來的可能。 在物理學上,這個架構後來稱為「愛因斯坦-羅森橋」(Einstein-Rosen Bridge)。不過在五〇年代,普林斯頓教授惠勒透過一點聰明的行銷技巧,把這個假設性的結構重新命名為「蟲洞」(wormholes),此舉讓好幾代的科幻作家十分歡喜。根據愛因斯坦和羅森的建構,逃離黑洞不僅是可能的,蟲洞也能夠連接宇宙中相距遙遠的兩個區域,因而比光速更快的旅行也成為可能。甚至是穿越時間、拜訪另一個宇宙,也變得可以想像。 但是,數學上可能的事情,就是真的嗎?數學是一種抽象的敘述方法,是科學領域的神話,能夠描述真實經驗,也能夠同樣精采的描述神奇的幻想生物。存在於數學中的事物可能會存在於現實,但不是必然。而物理學家賴以維生的工作就是,區分可能與真實。 對於白洞和蟲洞,我們也面對同樣的問題:數學上兩者看似真實,但在物理上真的有意義嗎?我們還未找到宇宙間存在著蟲洞的線索。在產生M87*的影像時,我們的確曾稍微考慮了一下那有沒有可能是個蟲洞,但它的大小並不符合預測。 讓事情更加棘手的是,蟲洞在數學上並不穩定,如果物質從裡面穿過,蟲洞會塌縮——至少根據理論是如此。為了避免蟲洞塌縮,必須發明一種可以產生反重力的新物質型態。反物質本身不符合這項要求,因為反物質和普通物質一樣,遵循同樣的重力定律。如果把反物質拋到空中,它也會落回地上——除非它在那之前就先發出一陣耀眼的毀滅性光芒,連同物質一起自我摧毀。 另一個問題是,就我們所知,能讓東西穿過的蟲洞無法自然形成。我們只能自己建造一個。對某些很有創造力的理論家來說,這不是問題,諾貝爾獎得主索恩(Kip Thorne)在《紐約時報》上宣稱:「既然我們對非常高級文明擁有的技術和材料完全沒有概念,我們物理學家就擁有無限的自由來建造可供穿越的蟲洞模型。」我對此持懷疑態度。即使蟲洞有可能存在,可是理論上也還無法保證它真的能實現所有神奇的特質。但我們仍可以抱持夢想。 霍金輻射 整個科學領域中最具開創性的理論,或許要算是量子理論和愛因斯坦的相對論了。兩者描述世界的方式都至為根本。然而,若想要把兩者結合,就得踏出我們的心智邊界。在所有天體中,就屬黑洞最能把這份難解衝突赤裸裸的呈現在我們眼前。 廣義相對論描述的是大中之大,也就是時-空。我們的生命開始於時-空,也終結於時-空;宇宙間各種戲碼也都在時-空之中上演,它是呈現出我們宇宙發展的劇場。在時-空中,每樣東西都有自己的位置。然而,如果回想一下那張有彈性的床單,就會想起這個劇場的舞台不是靜止的,有彈性的背景會一同演出,隨著演員而有所反應與改變。黑洞是這個宇宙舞台上最離經叛道的演員,不僅會撕破布景,還為我們帶來深刻的疑問。 每樣東西都占有時間和空間?真的是這樣嗎?不是!因為我們還有第二個同樣根本的理論:量子理論。相對論描述的是非常大的尺度,量子理論則告訴我們小中之小,也就是組成物質的東西,如分子、原子、基本粒子。儘管如此,讓時-空變得可以測量的,是光的組成單元,也就是光子。這些光量子把時-空從抽象數學描述的黑暗中拉出來,進入可以覺察的明亮現實中。然後相對論和量子力學便在這裡相遇了。 和愛因斯坦相對論不同的是,量子力學中,並不是每樣東西都有自己的時間或位置。在一小段時間裡,事情可以往前進也可以往後退。只要沒有人觀察,粒子可以同時存在於兩個地方或更多地方。量子理論在最極端的情況下打開了一個微觀世界,看起來就與巨觀世界中的黑洞邊緣一樣陌生而奇怪。儘管如此,兩種理論都成了我們日常生活的一部分,而且並肩工作相安無事,例如智慧型手機裡就是如此。我們手機裡的每個晶片、每個半導體都應用了量子力學。沒有量子力學就沒有網路也沒有電腦處理器。然而與此同時,我們手機上用來指引方向的導航系統,則是運用了廣義相對論的結果。 在黑洞邊緣,這兩個理論以非常根本的方式相互撞擊。這裡想必有種全新的物理學在作用。許多年來,地球上成千上萬最聰明的科學家想破了頭,試圖搞清楚這種物理學是什麼樣子,至今仍沒有明顯的成功。 這問題到目前為止只存在於純理論的世界。事情可以追溯到著名天文物理學家霍金(Stephen Hawking),他思考著量子粒子在事件視界會發生什麼事。 量子物體是物理學上已知最小的惡棍。擁有無限智慧的上帝放任它們做出我們連做夢都想不到的事。例如它們可以不經允許暫時「借用」一點能量。這其中的竅門是,它們必須在還沒有人注意到的極短時間內把能量還回去。 基本上,我們可以把空無一物的空間想像為巨大而漂滿泡沫的海洋。水花和霧氣一次次飛濺到半空中,再落回海裡。海與空氣的界線變得模糊。在接近海面的地方,即使還未下水游泳,也會感覺濕濕的。 同樣的,微小粒子出現在空蕩蕩的空間中,然後再度消失。於是這個空間不再空蕩蕩,而充滿了粒子之霧。但是要從空無一物中創造出粒子,自然需要能量。能量哪裡來?在海上,製造水滴的能量來自風,但在什麼都沒有的空間裡可沒有風。因此大自然用了簡單的作帳技巧:利用虛光量子暫時借用一點能量。這種方式可以產生一對量子,它們是完全相反的雙胞胎,也就是一個粒子和它的反粒子;打個比方來說,就像是一個迷你天使和一個迷你惡魔。其中一個帶正電,另一個帶負電。如果一個向左旋轉,另一個就向右旋轉。如果一個是物質,另一個就是反物質。回到大海的比喻,這粒子就像是空中的一顆水珠,反粒子就像是海中的一顆氣泡。 如果兩者再次相遇,雙方的性質就會彼此抵消,物質和反物質互相摧毀,在發出一道能量的虛擬火花後,瞬間消逝於時-空之海,不留一絲痕跡。於是能量債務償清,沒有人會提出抱怨。 但這也像是金融危機。如果沒人注意,而且債務一直得到償還,這種騙局便可以持續下去。但當天氣變壞時,事情就會開始走樣。海面上的水滴被吹到港口,噴灑到陸上。路上的人被噴濕,海中的水蒙受損失。只不過,以這種方式幾乎永遠吹不完海水,而且河川和降雨也會帶來補充。 根據霍金的看法,同樣的過程也發生在黑洞邊緣。在時-空之海中,事件視界就是海岸,黑洞就是風暴;而相當於風能的,則是重力能。 霍金在他的公開演講中描述的過程大致如下:在黑洞邊緣,雙生的粒子和反粒子從強大的重力場借用能量而製造出來。在這一對粒子重逢之前,其中一個就消失於事件視界之後。存活的另一個粒子再也無法與它的反粒子合一,逃逸到廣大的太空中。原本應是暫時存在的一對粒子忽然變成單一粒子留存下來。 然而,原本應該要為這個粒子償還的能量債卻沒有還回去,交易變成一筆損失。黑洞借出兩個粒子,只拿回一個,結果損失了能量和質量。這就像是有道粒子噴霧一直從黑洞飛走,有如在岸邊感到海水的細小水花不斷迎面而來。因此黑洞看起來一直在發出輻射。這種輻射稱為霍金輻射,由霍金在1975年首次描述。 不過,霍金對粒子與反粒子的描述有點簡化,因為他主要的目的是解釋量子理論的計算方式。實際上,最後發射出來的並不是粒子,而是光子,也就是光,而且波長比黑洞本身還要大。輻射也不是直接從事件視界發射的,而是圍繞著黑洞的較大區域。因此整個情況看起來就像是重力場在發出輻射一樣。 在正式的說法中,也可以把黑洞發射的輻射描述為熱輻射。熱咖啡經過一段時間會變涼,就算加上蓋子、不讓水氣逸失也一樣,這是因為杯子會發出熱輻射。杯子表面的原子會因為熱而開始稍微振動,振動之時便會輻射出量子光粒子。德國物理學家普朗克在1900年發現這種輻射的性質,為量子理論奠定了基礎,並與熱力學連結:無論材質和形狀,所有不透明的黑色物體在加熱時都會發出輻射。 所以,熱咖啡就展現了量子物理學,它發出的主要是近紅外光。咖啡因此失去能量並逐漸變涼。熱像儀可以看到這種光,我們的眼睛不行,但我們的手在接觸到杯子之前就可以感受到這種輻射。可以說,我們藉著看不見的光,可以感覺到杯子內的量子振動。 熱輻射的數學式只依溫度而定:溫度愈高,光的頻率也愈高。所以鐵加熱時會先以看不見的近紅外光譜範圍發光,然後變成看得見的紅色,再變成黃色,再變成白色——顏色的改變代表頻率愈來愈高。有些恆星甚至可以發出帶藍色的光,因為它們比熔化的鋼鐵還要熱。 至少在理論上,發出霍金輻射的黑洞可以給出同樣的輻射。因此,黑洞依照自身的質量,也可以有不同的溫度。愈小的黑洞愈熱。根據霍金的理論,質量約等於月球百分之五質量的黑洞,大約和一杯剛煮出來的黑咖啡一樣熱,散發的輻射量也差不多——儘管嚐起來應該天差地遠。 由於霍金輻射,黑洞會損失能量,也一起損失質量,正如愛因斯坦最著名的公式所說,質量最終也是能量。不過黑洞與咖啡不同,咖啡變涼是因為放著不管時發生的熱輻熱,黑洞卻會因為釋放的輻射而變得更熱!當黑洞變得愈小,溫度就愈高,發出輻射的效率也愈高。到了某種程度,黑洞爆炸,釋放近乎無限的熱,就此終結。這可以解釋小黑洞為什麼似乎不存在於大自然中。相當於兩具柴油機車質量,合計160噸的黑洞,會在一秒之內就輻射至消失。 對天文物理黑洞而言則不同。質量相當於小行星伊卡洛斯(Icarus),約1億噸重的黑洞,可以存活的時間約和宇宙一樣長。質量與太陽相當的黑洞壽命可達1067年,而M87*則是難以想像的1097年。 我試著把這時間具象化,但實在辦不到。假設把整個已知宇宙(包括太空中所有的恆星、行星和星雲)的質量集合在一起,變成質量的大海。然後,每隔一百億年,也就是大約我們宇宙的歲數,從這片物質之海中撈出一顆超級小的質子,如此重複直到取完所有的質子——那麼宇宙消失的時間,仍比M87*因為霍金輻射而消失的時間快一千萬倍。 還有,在黑洞完全消失之前,宇宙必須先完全死盡、變成空虛又黑暗,因為宇宙中每個氣體粒子和每道光波都可以讓黑洞繼續成長。在比我們可以想像的時間還要久得多的時間中,諸如M87*這樣的超大質量黑洞只可能變得更大。M87*的霍金輻射實在是太微弱了,不太可能建造出足以找到霍金輻射的偵測器,就算窮盡我們宇宙的壽限、就算我們能飛到M87*都不行。 儘管如此,從純理論的立場而言,黑洞確實可能消散,而且所有曾困在裡面的東西也可能釋放出來。永恆的事物並不存在,黑洞也是如此。 計算霍金輻射時,視線視界的存在是關鍵,但如果霍金輻射實際上是重力場的放射性衰變,那麼我可以想像:中子星或甚至一般物質最終也可能以類似的過程衰變,而且所有重力場最終也會變成光而消散。不過,這目前仍純粹是推想。 太初有光,而宇宙最後僅存的也可能是光——除非在宇宙終結之前,又發生了某種新鮮刺激的事。 在我們揭曉黑洞影像的記者會最後,歐盟執委會委員莫伊達斯引用了霍金的話:「黑洞不像描繪中那麼黑。黑洞不是我們想像中的永恆監獄。東西可以從黑洞裡出來,包括釋放到黑洞外面,或是跑到另一個宇宙。因此,如果你覺得自己在黑洞中,不要放棄,一定會有出路。」 對一場重要記者會來說,這是一段充滿鼓勵的結語。然而,如果繼續跟隨霍金的思路,黑洞在我們經歷了地獄後,真的會給予重生的機會嗎?黑洞真的只是通往真實覺悟道路上暫時的煉獄狀態嗎? 別被這種虛假的希望所誤導。如果我死後火化,然後來了一場颶風,把剩下的骨灰和煙塵掃在一塊兒,從中又生出一個我——這樣的機會遠大於我被黑洞吞噬後還能回來的機會。 不過,理論物理學家不會滿足於這種實際上的不可能性。只要理論上有一點可能,他們就不會乖乖安分聽命。 資訊丟失 每個年代都有自己的重要議題。這些議題影響我們對世界的認知,也影響科學。我有個同事某次做出的觀察相當諷刺:用來描述宇宙誕生的詞彙「大霹靂」就出現在第一次原子彈爆發後不久,實在不令人意外。今天我們生活在資訊時代,也愈來愈常看到物理學以資訊理論的語言重新表達。最近的版本甚至主張重力可以用位元來描述,自然律就像是程式語言,或甚至整個宇宙其實就是一套巨大的電腦模擬。我不覺得這樣異想天開的推測真有說服力,但資訊確實成了自然科學裡很重要的概念。 世間萬物一切都是資訊,例如物質、能量,甚至黑洞可能也是。這裡最關鍵的概念,是資訊的對立面,也就是非資訊(noninformation),混亂,或用個很厲害的名詞:熵(entropy)。事實是,光和時間、知識和無知、機會和命運,這些概念全都緊密相關。 十九世紀晚期,奧地利科學家波茲曼(Ludwig Boltzmann)研究熱力學不同面向之間的關係,例如熱、壓力、能量和功,還有最小粒子的關係。在波茲曼的時代,蒸汽機的熱和壓力產生能量和功。在蒸汽機中,許多微小的水蒸氣粒子運動並產生了壓力,由此使火車有了動力。 鍋爐裡的粒子就像是在充氣城堡上跳躍的小朋友。他們愈是到處用力亂跳,充氣城堡就晃動得愈厲害。愈多小孩在上面不加控制的亂跳,充氣城堡的壓力就愈大。每個小孩的能量和速度可以對應到鍋爐裡的溫度。生日派對結束時,小孩已經累了,能量也開始降低。充氣城堡靜止下來;鍋爐冷卻。 在小孩跳躍開始前,讓我先把他們分成兩組:身穿藍色衣服的安靜小孩先坐在充氣城堡裡面,然後哨聲一吹響,穿紅色衣服、調皮又愛鬧的小孩就衝進去,而且會發生幾次相撞(幸好沒有人流血)。當調皮的那群衝進去時,充氣城堡開始嚴重晃動起來,他們幾乎像是約好了似的,同時撲向高聳的城牆。此時主要的條件仍是高度有序與低熵。然而,因為整座城堡都是小孩,安靜的小孩也不得不開始跳起來,否則就會被撞翻;而調皮的小孩則必須跳得輕一點,否則就會不斷和別人相撞。兩群小孩於是混合起來;本來的瘋狂變得較為平均,亂跳程度也變得難以區分。物理學家會如此描述這種現象:充氣城堡達到熱平衡,熵提高。很快的,一切都會混在一起,紅色和藍色衣服四處都是。如果大家都把衣服脫掉,沒有人認得出誰在一開始時屬於哪一組。 蒸汽機裡也發生類似的事情。如果把一個充滿熱空氣和一個充滿冷空氣的鍋爐連接起來,那麼空氣會從熱鍋爐流向冷鍋爐,推動渦輪。如果停止加熱,兩個鍋爐的溫度會變得平均,兩邊的氣體粒子會開始以同樣的速度運動,空氣不再只以一個方向流動,渦輪也會停止。此時系統達到熱平衡,所有粒子完全混合。原本冷粒子在這邊、熱粒子在那邊的有序系統,現在變成了無秩序的系統;熵提高了,不再做功。物理學家會說這個系統「熱化」,意思是完全混合了。現在只有一個大而同化的質量,特徵只剩下一個,也就是所有粒子都具有同樣的溫度。 我們也會說亂度永遠只能提高。這是新手父母最重要的發現之一,同樣的概念也適用於物理學。這描述了熱力學的一個基本原則,而熱力學適用於所有封閉的物理系統和所有小孩的遊戲間。兩個溫度相同的鍋爐不可能自主的變為一個冷一個熱,就好像小孩遊戲間的玩具積木不可能自動以顏色區分。我們必須先給予能量,才能把熵降低。收拾玩具很麻煩,需要耗費能量。 儘管如此,就算是一箱亂七八糟的彩色玩具積木,也沒有達到最大程度的熵。假使要讓熵達到最大程度,這些積木必須要磨碎、分散,最終變成漫射的熱光而輻射掉。所以即使是沒整理的遊戲間,東西永遠都可以變得更亂。 因為宇宙目前只有幾十億歲,我們應該自認幸運。如果我們生活在一個近乎無限老的宇宙,那不管如何努力,這個宇宙的特徵都會是最高的亂度和完全的無序。不再有星系、恆星、粒子,也不再有黑洞。光會無限的擴張延伸,如同熄滅。宇宙令人興奮的程度,就像一根蠟燭被沙漠之風吹熄後的灰煙。就這種意義上來說,宇宙的有限本質其實是我們存在的先決條件。 有趣的是,熵的概念也出現在資訊理論中,正如美國數學家夏農(Claude Elwood Shannon)在1948年所說:你需要做的,只是把小孩房間裡的玩具或鍋爐裡的氣體粒子替換成字母。讓我們隨便挑出這本書中的幾頁,如果我打電話給鄰居,安靜念出書上的文字給她聽,她再憑記憶複述給她的鄰居,後者又再告訴她另外的鄰居,如此傳遞愈多次時,錯誤也會愈來愈多。本來多少帶有一些意義的文字(我希望),最終會變成難以理解的胡言亂語,不再含有任何資訊。如果我只是繼續轉播但不做任何更正,資訊就會遺失,而亂度會持續提高。不管多久,一碗字母組成的熱湯都不會變成一本有意義的書。我們需要懷抱目的注入能量,例如對作者試圖寫出帶邏輯句子的大腦來說,儲存在巧克力中的太陽能就是必需品。 熵的概念也能延伸到黑洞。黑洞其實是終極的資訊等化器與毀滅者。愛因斯坦的定律應用在一個跌入黑洞中的人時,表明這個人所帶的全部資訊、他本人的完整歷史、他的想法、他的外表、性別和記憶,全都會縮減為一個數字,也就是他從宇宙中消失那瞬間的體重。因此,五個沙包在黑洞留下的痕跡,比一個美國總統還要多。 由黑洞形成的整個系統,完全由其質量和角動量來定義。從這個角度來說,儘管黑洞非常大,卻是宇宙中最單純又坦白的東西。連蚯蚓的每一個細胞都比黑洞複雜不知多少倍。 如果黑洞真的具有霍金溫度,則我們便能說明為什麼事件視界的表面可以度量黑洞的熵。原因是,根據愛因斯坦的理論,黑洞只可能變大,而熵也只可能提高,同時整體資訊,也就是宇宙整體複雜度則只能下降。不管任何時間,只要一個人或甚至一條蚯蚓死去,宇宙也失去少許歷史。如果在地球上,他們至少還會留下屍體,但如果是掉入黑洞,全部都會消失。 如果霍金是對的,那麼黑洞最終必會消散,也表示黑洞的質量、大小和熵會下降。然而宇宙全部的熵並不會減少,因為輻射會帶熵一起散發出去。對一個被黑洞的血盆大口吞下並變成一個點的人來說,這意味最終他會被劈分為最小的個別單元,並輻射四散到宇宙所有地方。 是沒錯,他所有的想法也會隨之飄散到某處,但會和宇宙的量子雜訊混在一起,根本無法聽見。再加上宇宙的無情擴張,這些想法最終仍會消逝於虛空之中。 因此,消散的黑洞就像是翻倒了一個裝滿不同顏色積木的箱子,變得一團混亂。但因為全部的熵不會因黑洞消散而改變,這表示黑洞從一開始就是一團混亂。的確,今天的宇宙中,幾乎所有的熵都存在於黑洞中。 不過,許多理論物理學家無法接受這種資訊丟失,而改口談論黑洞的資訊悖論(information paradox)。在量子物理學,資訊的保存是神聖的。只有當所有資訊得到保存,我們才能確認一個量子系統是按照規律發展,並且可以預測。一個沒受干擾、沒被測量、沒給看見的量子粒子在某一特定時間的狀態,是由之前的狀態所決定。也就是說,粒子的現在與未來有著非常清楚的連結。量子物理學的方程式是可逆的,可以讓它往前或往後,結果都一樣。然而,在量子物理學中,一個粒子的狀態永遠只能是相對準確的一個機率值,至於其他機率值則仍無法確定。根據海森堡測不準原理,一個粒子的值永遠不可能正確測量,而每次測量一個粒子,都會改變這個粒子的狀態。 你可以把這想像為射箭:一名優秀的弓箭手瞄準目標時,你有相當把握她可以射中目標,卻沒辦法預測這支箭究竟會落在哪一圈,只能以機率來描述。只有當箭實際射中靶時,才知道這一箭得了幾分。 量子粒子就像飛在空中的箭。一旦被測量時,箭已經落在靶上。如果你回頭看,也說得出是哪位弓箭手射了這支箭。這個問題是可逆的,箭和弓箭手是連結的。因為這樣,物理學在某種誤差範圍內可以相當準確的做出正確預測,也可以連結因果關係。 但如果黑洞毀壞了量子資訊,也就干擾了時間的清晰路徑,這就像箭的飛行受到干擾。我們不知道箭從哪裡來,要往哪裡去。它可能忽然射中某處——甚至可能射到站在弓箭手後面的觀察者旁邊。資訊保存的教條一旦遭到破壞,就對量子物理學的全能以及物理學的預測能力投下懷疑,這可不是小問題。 有一些理論家認為,或許所有的量子資訊都儲存在黑洞中央,也就是奇異點的鄰近區域。但這樣一來,所有消失在事件視界後面的資訊都必須保存在那裡,直到黑洞消散。這樣並不合理,因為即使只是儲存資訊,也都需要空間和能量。說到底,黑洞只有那麼大,不可能有儲存十億個太陽資訊的空間。 其他物理學家則提出,資訊或許就在緊鄰著事件視界後面的地方撐著。或許當某個東西越過事件視界時,事件視界會像膜一樣的振動,並用這種方式儲存了資訊?有沒有可能黑洞僅僅是資訊,儲存在自己的表面?愛因斯坦如果聽到上述任一種猜測,想必會在墳墓裡不安的翻身,因為根據他的等效原理,一個自由下落到黑洞深淵的粒子根本不會注意到自己通過了事件視界。只有當它撞上奇異點時,才會發覺事情糟糕了。在相對論中,事件視界沒有資訊容身的空間。 儘管如此,大部分物理學家還是假定黑洞會以某種方式儲存資訊,並在放出輻射時再次釋放,說不定黑洞發出的輻射中也可能含有密碼,而且至少在理論上我們可以解讀這些密碼並瞭解其過去。霍金本人在一開始的懷疑和輸了賭注後,終於向這一派想法投誠。另一方面,著名數學家和黑洞開創先鋒潘洛斯則堅持資訊在黑洞內是真真切切、不可撤銷的遺失了。總而言之,我們仍然不知道重力場實際上對量子粒子做了什麼。 我比較傾向潘洛斯的立場,但也帶著審慎保留。黑洞是巨觀物體,並不只是局限在中央的奇異點;相反的,黑洞包含了周圍彎曲的整個時-空,由所有在奇異點內外的量子粒子共同組成。沒有任何一個量子粒子能獨立而不受其他粒子影響。資訊是集體化的。基於這樣的事實,難道我們還能討論個別粒子間的關係,以及個別粒子的資訊嗎?如果空間不能量子化,用量子力學的原則來討論空間,還有意義嗎?量子力學是可逆的,但真實的巨觀宇宙卻不是;黑洞又為何得是可逆的呢?或許黑洞是宇宙間最大的隨機產生器? 物理學正陷入資訊危機當中;有好幾本書都在談論這個主題。相對論或量子力學,到底誰錯了?受到擁護的論點很多,但我們不知道哪個論點可以帶來進展。然而,物理學的危機總是帶來新理論的轉機。物理學家已經在此尋訪超過四十年,只是目前為止還沒有成功,我們還無法讓重力和量子物理學和諧共處。要發展出一套量子重力學,是件無盡複雜的功業。光是要讓蘋果落到地上,多數嘗試就已經困難得不得了了。 我們並不缺乏有創意的思維,缺的反而是得自上天的清晰靈光,所以才無法從眾多想法中認出哪個正確。波茨坦的量子重力研究者尼可萊(Hermann Nicolai)是這領域的領頭人物,他有一次對我說:「我不認為我們可以光靠想像就得到任何進展——我們需要實驗!」我們需要量子重力的愛丁頓遠征! 然而,截至目前為止,這個物理學危機基本上仍是理論性的。我們的黑洞影像還未能幫助確認或排除許多新理論。在這個當下,相對論就是我們瞭解黑洞所需,而和所有方法比起來,廣義相對論中的一些參數限制仍是最好的。如果有個新理論,能讓黑洞之影的大小和形狀改善幾個百分點,那麼我們或許終能看到它的實際效果。如果偏差的程度只發生於量子物體的尺度,那麼我們可能永遠也無法察覺。 感謝黑洞的影像,兩個理論的無法調和變得比過去更真實而有形了。我們看向影子中的黑暗之處時,看到的是事件視界的邊緣,而相對論和量子力學正在那裡爭奪主導權。統一兩大理論的問題非常真實,絕不抽象。我們所做的,是給予這個問題一個位置,讓你可以用手指著它。這個影像真正的神祕之處並不在那如火焰般明亮的環,而是存在於陰影之處。

作者資料

海諾.法爾克(Heino Falcke)

德國天體物理學家、事件視界望遠鏡科學理事會主席。奈梅亨拉德堡德大學(Radbound University)天體粒子物理學和電波天文學教授、馬克斯普朗克電波天文研究所客座教授。獲荷蘭國王授騎士榮譽、荷蘭科技最高獎項斯賓諾莎獎(Spinoza Prize)、德國柏林勃蘭登堡科學人文學院學院獎、美國國家科學院亨利.杜雷伯獎章(Henry Draper Medal)。國際天文學會決定小行星12654以他為名。與美國航太總署和歐洲太空總署合作,希望能在月球上建造無線電波望遠鏡。預測黑洞的邊緣附近會有「影子」可供觀測,在2019年的照片中獲得證實。

約格.羅默(Jörg Römer)

德國《明鏡周刊》(Der Spiegel)科學/健康部門編輯。求學時期主修中美洲研究、拉丁美洲研究、史前史和早期歷史。著迷於天文學所探討的極限,因為天文學代表人們無法抑制的好奇心,總會去追問存在的起源。

基本資料

作者:海諾.法爾克(Heino Falcke)約格.羅默(Jörg Römer) 譯者:姚若潔 出版社:天下文化 書系:科學天地 出版日期:2021-11-30 ISBN:9789865253127 城邦書號:A1501015 規格:平裝 / 部分彩色 / 376頁 / 14.8cm×21cm
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