跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞！：一次搞懂當今最熱門的宇宙議題

導讀／前台北市立天文科學教育館研究組長　徐毅宏

剛收到這本書的邀請email時，習慣性上網搜尋了作者的訊息，第一眼看見的就是一位染著淡金色頭髮的男性；繼續搜尋下去，他專精的科學領域是高能物理中的基本粒子研究，而不是天文學或是宇宙學。也因此，不由得好奇地思考這位科學家，會用怎樣的方式將「宇宙」介紹給大家。

仔細閱讀，《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》原本是由演講內容整理成書，因此「看」的方式也建議不必依照天文教科書的編排，依序閱讀；而是「跳」著看，先看完主要章節，再看後面的專題部分，會更有條理；也可以把專題部分抽離出來看，當作是專精知識的補充。

翻開這本書，從目錄就能夠感覺到不一樣介紹宇宙的方式。第一章的主題從普羅大眾最感興趣的「黑洞」開始，建議先跳過反物質的部分，隨著多田將博士從逃脫速度開始認識黑洞，再從歷史的關連引出相對論，瞭解從愛因斯坦架構的理論中，宇宙裡時間與空間的相互關係，與「重力」擔任的角色。

第二章的主題是目前最廣為接受的「大爆炸」，一個名字看起來有趣，但卻讓許多科學家絞盡腦汁的宇宙誕生理論。作者延續上個章節「重力」的話題，從蘋果與月球的掉落問題，隨著各式的科學思辯與證據，推論到連愛因斯坦都無法相信，宇宙正在膨脹的事實。現在大家熟知的事實「宇宙正在膨脹」，有著許多衍生的迷思：「地球是不是宇宙中心？」、「宇宙是不是有盡頭？」、「宇宙是不是有起始點？」、「宇宙的未來會怎樣？」，這些問題在這個章節裡將會被一一揭露解釋。但在末尾──最新的觀測證據顯示宇宙曾經減速，但目前卻呈現加速膨脹的敘述，卻讓宇宙又陷入令科學家迷惘的狀態。

第三章的主題是「暗物質」，一種目前無法確認，但卻強烈影想宇宙演化與狀態的存在。從觀測星系時，天體不正常運動狀態下的發現，到科學家想用不同理論解釋它，再到不同候選物質的驗證實驗，多田博士發揮了基本粒子的領域專精，娓娓道來。雖然最後出現另一個驚奇的存在—暗能量，卻能夠看到科學家追求解答的豐富想像力與契而不捨的耐心。

在前面三個章節的先備知識鋪陳之下，第四章將以倒敘的方式，慢慢描述「宇宙初生」的歷史，一直回溯到宇宙剛誕生的前10-44秒時所發生的事。在閱讀這個章節之前，不妨先回到第一章的前半，先認識一下反物質再繼續，會有更完整的概念。回溯宇宙初期的狀況，其實也是回溯自然界四種基本力演化的歷程，也是科學界一個重要的研究方向，能完整描述四種基本力的大一統理論。

要如何呈現廣闊無垠的宇宙圖像？星際大戰系列電影為了要架構一個與我們所處世界完全獨立的時間與空間，片頭都是由「A long time ago in a galaxy far, far away……」開始引言，然後刻畫一個個吸引人的故事，這是科幻電影作者所採用的表達方式。

對於本書作者而言，想要傳達的是，人們對從沒到過的宇宙樣貌有什麼想法，而為了驗證這個想法，進行了什麼樣的觀測和研究，重複這樣交互的運用理論（想法）和實驗（觀測），從千頭萬緒中如何拼湊出圖像的過程本身的魅力。每本書籍都有其不同的編排，但是卻很少有書介紹科學家為何想瞭解宇宙，為了瞭解又做了什麼樣的研究、研究出理論卻又一再被改寫。在科學領域裡，「結果」固然重要，但是更有價值的是如何獲得這些結果的「過程」。如何從「過程」中得到「科學」的思考方法和執行方法才是這本書想要闡明的重點，除了知識之外，讀完的您是否已經有所體會了呢？

序

我不是宇宙專家。

我的專業是基本粒子物理學，目前在進行基本粒子裡的微中子研究。這本書是一本非專家所寫的「宇宙書」。

以前出版的宇宙相關書籍，大抵上都是由宇宙論（理論學者）教授執筆，很少由像我這種基本粒子物理學的人──而且不是「理論」而是從事「實驗」的人來撰寫。

那麼，為什麼這樣的人要寫宇宙書呢？

此外，一提到「宇宙」，坊間多會提到它訴諸於心靈或感情的魅力，像是「美麗」「浪漫」「讓人一時忘了為小事煩惱」來形容它。

但是，我對宇宙感覺不到任何浪漫主義，這種人真的可以寫「宇宙的書」嗎？

老實說，我在這本書裡想傳達的並不是宇宙本身的魅力，而是人類如何思考宇宙。

宇宙是什麼樣子？它是怎麼開始的？又是如何進化到現在這個模樣？我們現在在什麼時間軸上？說起來，為什麼現在會長成這個樣子呢……

面對這根本性的問題，人類利用科學來求出解答。但是具體上是怎麼一回事呢？

很多書都已仔細解釋了結果的部分──「我們對宇宙的了解已經有這麼多！」但是，卻很少有書介紹為了得到這個結果，人類到底做了什麼樣的研究。

關於宇宙的樣貌，人類有什麼想法，而為了證實這個想法，進行了什麼樣的觀測和研究，根據研究的結果又有了什麼樣的想法，為了證實新的想法，又進行了什麼樣的觀測和研究……先人們像這樣交互的運用理論（想法）和實驗（觀測），不遺餘力的將他們自己都沒去過的浩瀚宇宙，做了這種程度的闡明。

我想藉這本書傳達的，其實就是這個過程本身的魅力。

「竟然有那樣的想法！？」「那樣的觀測可行嗎！？」等，這本書的目的是希望讓讀者為先人們成就的偉大功績，真誠的感到驚奇、感動。

既不是宇宙的專家，也不覺得宇宙浪漫的我，之所以要寫「宇宙書」的原因──只是因為我自己能用外行人的眼光，看到宇宙相關理論與實驗的了不起。

除了了解「結果（資訊與知識）」，如果還能說明該結果「是經由什麼樣的思考引導出來的」，讓大家實際體會到「科學的思考方法」那就太好了。

因為這個緣故，這本書嚴格來說，並不是「宇宙的書」，可以說是一本「描寫人類如何想了解宇宙，和如何做科學思考方法的書」。

科學的特徵在於「改寫」。

舉例來說，文學作品在完成面世之後，不可以改寫。

但是，我們生存的這個世界，即使現在也還在進行中。所以我們並不是在所有故事結束之後，才在觀看歷史。即使是現在這一刻，人們也在創造科學的歷史。

在科學領域裡，一再改寫以往被視為正確的理論，是極其自然的事。（相信讀過本書之後，各位應會明白，它經常被改寫。）

所以，在這個科學世界裡，真正有價值的並不是成為知識或資訊的「結果」，而是如何獲得這些結果的「過程」。

結果被改寫完就結束了。但是過程並不是如此。從過程中得到的「思考方法」和「執行方法」不會白費，根據這些方法再次思考，就能發展出嶄新的「思考方法」和「執行方法」。

在科學裡，過程比結果更有魅力、更寶貴。

此外，這樣的過程不限於宇宙，是不是也能運用在思考各種事物上呢？光是從一個單純接收知識的被動狀態，開始思考「我來做的話……」在你眼中，世上各種事物應該會變得更加鮮明活潑、栩栩如生才對。

當然，各位今後在思索宇宙問題時，也能夠更深入的思考。

各位請不要忘記，歷史不是其他人，而是由你們每個人編織出來的，大家都是當事者。說不定下一個解開宇宙之謎的人，就是你。

當你抱著這個想法遙望宇宙，也許會湧出更多於「真美啊」的情感。

若是這本書有助於此，你不覺得那才是件羅漫蒂克的事嗎？

這本書由四個章節組成，各章之間還有個小專題。專題會抽離主文，做更詳盡的解說，所以你也可以讀完全部的主文再看。

接下來，我們就趕緊開始吧。

如果把地球壓縮成半徑8.9mm的粒子，就會變成黑洞

各位聽到「黑洞」這兩個字，有什麼印象？既然是BLACK HOLE，那就是「黑色的洞」，很多東西都會被吸進裡面……大概是這樣的印象吧？因此首先大家來思考一下。

地球在這裡（圖5↘），假設火箭從地表飛出去好了。火箭受到地球重力拉扯，必須以相當高的速度往上衝，才能飛得出去。那麼它需要多快的速度呢？

太空船的「動能」與地球的「重力（位能）」加起來等於零，用這個公式解，就能算出速度。大家如果在高中選修物理的話，應該都會解這個公式（圖5）。

在這個公式中代入「地球的質量」、「重力常數」和「地球半徑」後計算，大約是11km／sec（公里／秒）。1秒鐘走11公里……算是相當快的速度。1馬赫（音速）是0.3km／sec，換算後大約是30音速。以這麼快的速度往上衝，就能甩掉地球重力，飛出地表了。

這裡大家來思考一件事。如果地球的質量不變，但體積縮小的話呢？

舉例來說，假設有一顆與地球同質量、半徑8.9mm的顆粒，它的上面有火箭──半徑8.9mm是我設定的數字，等一下我會說明為什麼要這麼設。（圖6）

剛才是從距離中心點6400km的地方開始逃脫，但這次，是從8.9mm的地方。按照計算，逃脫的速度為每秒30萬公里。也就是說，它必須與光速相同，否則就無法逃脫了。換句話說，若想要從這8.9mm的內側逃離，就連光也做不到。

如果實際上真有這種天體，因為光也逃不出去，它不會發光，呈現漆黑一片的狀態，對吧？這就是黑洞。

把剛才的公式變形一下（圖6↖），將某質量（M）的東西縮到多小，就會變成黑洞？求它的半徑（r）。

也許你們以為黑洞是個巨大無比的神祕物體。但如果把地球壓縮到比半徑8.9mm更小的話，就會成為黑洞。重點在「小」，各位的身體若是壓縮到比原子還小時，也能成為黑洞。

建立了「小而重」的印象之後，我們就來談談真正的黑洞吧。

愛因斯坦的方程式在發散

先從歷史說起吧。黑洞並不是有人在宇宙看到什麼奇妙的天體，納悶的想「咦，這是什麼？」然後大家集思廣益之後解開的謎題。黑洞最初是在紙上想出來的東西。也就是說，計算了數學算式之後，得出了一個奇怪的東西。是從這裡開始，直到很久之後，才發現它真實存在。

今天後半節我還會詳細的說明，這裡我想先介紹一個理論，它叫做廣義相對論，是愛因斯坦在1916（1915?）年針對「空間扭曲」所發表的著名理論。

當時，德國有一位物理學家卡爾‧史瓦西，他在第一次大戰的戰壕中，計算解出了廣義相對論的方程式。那個算式在某處發散了。算式變成無限大而無法成立叫做「發散」。他發現當天體的半徑（r）為0，與半徑為 這兩個值時，該天體就會發生奇怪的狀態。這個方程式是用來計算空間的扭曲，而當天體具有這兩種半徑時，空間就會扭曲過度而破裂。

，不就是我們剛才說過的黑洞半徑嗎？計算某質量的物體要縮小多少才會變成黑洞時，得出來的半徑。

剛才壓縮地球的解說，請把它想成從古典物理學的運動方程式導出的概念。大家在高中讀的物理（古典物理學＝牛頓物理學）中，不會把物體的「大小」列入計算。舉例來說，我們計算「投球」時的運動，不會考慮球的大小。古典物理學是把大小當作零來對待，況且也完全不考慮空間的扭曲。

但是，史瓦西使用了紮實的重力場理論（相對論），試著計算如果擺一顆無大小狀態的星球（半徑為零的大質量星球），空間會怎麼樣。結果空間破裂了。

那麼，要縮到多小和多少質量的天體，才會把空間弄破？

答案就是半徑 。突然間出現了古典物理學、相對論和算式，你們大概聽得頭昏眼花吧。請別放在心上，詳細的內容，我會在今天的後半介紹廣義相對論時說明。

數學算出來的黑洞

史瓦西發表的報告認為，「這個結果，太奇怪了吧。」不過很遺憾的是，沒多久他就在戰爭中去世了，沒有繼續研究下去。後來這個讓空間發生怪現象的半徑（ ）就以他的名字取名，叫做「史瓦西半徑」。

而且，在該半徑包覆之表面的內側，就連光也無法逃脫。至於裡面是什麼狀況，我們完全不知道。因此，後人將它取名為「事件視界」。（圖7↗）意思就是：裡面有什麼我們無法知道哦。它是與我們所知世界的分界線哦。另一方面，當體積為點（＝零）時，在算式上會發散，所以稱之為「奇異點」。奇異點的意思就是無限大，物理法則無法成立的點。

不論是「事件視界」還是「奇異點」終究都只是數學上出現的謎，因為世界上不存在有質量的點。不論任何物質都有大小，而且不可能有與地球相同質量，半徑卻只有8.9mm的小星球（顆粒）。人們認為它終究只是從算式中思考出來的東西。

一九六七年，史瓦西過世的半世紀後，學者約翰‧惠勒將這個以「事件視界」包覆，光無法逃脫的部分，取名為「Black Hole」（黑洞）。

奇異點旋轉就會變成環

之後，人們懷疑：「除了史瓦西解之外，還有沒有其他奇怪的解呢？」許多人試著計算了廣義相對論的方程式，找出了3個種類。

史瓦西解是最單純的形式──即正中央有奇異點，它的周圍有「事件視界」。

後來，有個名叫克爾的人，他想出正中央的奇異點會旋轉的狀況。若是會旋轉，奇異點會變成環狀，「事件視界」也一樣，形成有點橫向膨脹的狀態。

此外，萊斯納和諾德斯特洛姆兩人，思考了奇異點帶電荷的狀態。而克爾進而與紐曼兩人又思考到帶電荷的奇異點旋轉的狀態。

這裡的理論有點深，所以我先略過細節，你們只要記住一點，旋轉的奇異點會形成環狀就行了。因為後面還會再提到。

星球的死亡──重力塌縮

好，到目前為止都在談數學的內容，有點無趣吧。因為各位都安靜無聲（笑）。所以，數學的部分到此為止，再來談談黑洞是不是真的存在。

按照一般的想法，與地球同樣質量，但半徑只有8.9mm的星球──物質緊密的塞到那種地步的終極重星，應該是不可能存在吧？很多人會想，這畢竟只是空想出來的理論。

但是在第二次世界大戰開始的一九三九那年。科學家羅伯特‧歐本海默發表了「星球應該因為重力崩塌而誕生」的理論。

歐本海默是製造出原子彈的人，美國羅沙拉摩斯國立研究所所長，曼哈頓計畫的負責人。他是個理論物理學家，所以也研究星球的一生。

所謂的重力塌縮是這樣的。

太陽在這裡（圖9↗），太陽因為核融合而燃燒，內部製造出極為驚人的能量（大家就是靠著這個能量才能像現在這樣生活），為了製造驚人的能量，類似這種太陽的恆星，會發生不斷向外擴張、再擴張的力量。

另一方面，太陽擁有極大的質量，因為它的質量，也產生向中心落下、再落下的重力。

那種「向外擴張、再擴張的力量（能量）」和「往內側落下的力量（重力）」一般會達到平衡狀態。

科學家說，像太陽那樣的星球，大概可以活到100億歲。太陽現在正好是中年，大約50億歲左右。它幾乎──90億年以上都會維持這樣的安定。向外擴大的力量和因重力而掉落的力量，一直保持在平衡狀態。

但是，物質一定有結束的一天。太陽的終點是什麼呢？就是燃料用盡。太陽燃燒氫（原子序數1）──原子序數是原子核中質子的數量──變成氦（2），進而氦與氦又會變成鈹（4），氫（1）與氦（2）融合就會變成鋰（3），周期表中的輕原子轉變成重原子──它們的原子核融合了──核融合最後將會停止在鐵（26）形成時。因為鐵原子不會再核融合，它是最安定的物質。

因為這個緣故，太陽漸漸年老，燃燒的物質燒完，向外擴張的能量變弱……在某一瞬間，重力贏過了能量，這就是星球的末日。重力獲勝，向中心塌縮的現象，就叫做「重力塌縮」。

所有的物質都變成十萬分之一大小

你能想像星球因為自己的重力而坍塌的樣子嗎？話說回頭，「物體坍塌」是什麼意思？

比如說，這裡有個橡皮擦，就算我再怎麼用力捏，也不會把它壓扁，因為它很密實。星球的內部也相當密實，哪有什麼地方供它坍塌呢？其實是有的。就是這個。

原子是由原子核與環繞它的電子構成。

中心的原子核非常非常小，大概是整個原子的10萬分之1大。假設原子有這個會場這麼大（幾十公尺），原子大概只有自動鉛筆筆芯的直徑。原子的內部其實很空洞。

像這個橡皮擦，外表看起來好像很密實，但它是由原子構成的，所以內部也很空，多的是塌縮的空間。其實它可以縮小成10萬分之1大小的空間。

那麼，為什麼壓不扁它呢？因為我的力量太弱。如果有恆星那種程度的重力，力量就很大，是可以把它壓扁的。

至於塌縮是怎麼一回事呢？電子原本都在固定的軌道上，塌縮就表示它掉到原子核上（↖）。電子與原子核（的質子）黏在一起，就會變成中子。

以太陽為例，它是由氫與氦等各種原子構成的，但如果所有的電子都落到它的原子核上的話，各種原子也都變成了中子。星球變成一大塊中子──稱之為中子星。

到這時候，體積變得極小──10萬分之1 的尺寸，但質量還是同樣巨大的星球不就誕生了嗎？歐本海默這麼認為。

體重決定死法

各位，你們知道星球也有壽命吧。壽命到了盡頭，星球也會死的。就如剛才說的，當核融合結束的瞬間，星球就死亡了。

相反的，「星球誕生」指的是核融合開始的時候。塵埃（粒子）因為重力吸引而聚集、開始核融合的那一刻──發出耀眼光線的那一刻，星球就誕生了。而像地球這種不會發生核融合的星球，從一開始就死了。

而且，星球也像人一樣，有不同的死法。人有很多死法，而星的死法卻按體重的大小早就決定了。也就是說，輕和重的死法不相同。胖子快死的時候不太漂亮，相反的，瘦子可以死得很美。

超新星爆炸！

這裡畫的「紅巨星」，是快死的老人星（圖10↗），燃燒的物質不斷在減少失。

一般人形容星球的大小，常用「太陽的幾倍」的說法。在太陽的8倍大以內都可以算是「瘦子」。這顆老人星如果是那種瘦子星的話，剛才說的重力塌縮會在半途停止。它不會完全塌縮，變成一塊中子，在氫和氦等「燃燒物質」還殘留的狀態停止重力塌縮。由於核融合還在繼續，所以會發出微弱的光，是一種美麗的死法，以這種方式死去的星，叫做「白矮星」（圖10）

但是，比太陽大10倍以上的胖子星會變成什麼樣呢？因為重力太大，它會以猛烈的力道坍塌。燃燒物質一用完，便急速收縮，因為力道太猛烈，物質激烈碰撞而產生爆炸。

這種爆炸叫做「超新星」（super nova），聽過嗎？你也可以在「超新星」後加上爆炸，叫它超新星爆炸。還沒有到「超」程度的爆炸，就叫「新星」（nova）。

順便一提，為什麼它明明要「死了」，卻叫做「新星」呢？因為從前並不知道這是星球死掉的狀態。它本來是一顆會發光的恆星，但是因為距離地球太遠了，我們看不見。但在它死掉的瞬間，因為爆炸而發出極為明亮的光，古代人看到時便說「啊，那裡有一顆新的星星！是新星啊！」於是就這麼取名了。其實它不是新生的星，而是死亡的星，但古代人不知道。它有這麼個歷史的緣由。

角動量守恆定律

胖子星發生超新星爆炸而死亡之後會怎麼樣呢？它會凝固。

凝固的方法也有兩種。太陽的10～20倍大──雖然有個中廣身材，但還過得去吧──星球的話，就會成為剛才說過的中子星（圖10）因為不再核融合，中子星不會發光，但取而代之的是，它會發出脈衝狀的電波。

為了說明這個原理，我舉個花式溜冰的例子吧。你們知道花式溜冰為什麼能旋轉得那麼快呢？那是利用了一種物理基本定律──角動量守恆定律。剛開始旋轉時會把手張開吧，然後把手縮回到身邊。只是縮進來而已，旋轉就會突然加快。為了維持這種叫「角動量」的物理量，將半徑縮減，速度就會增快。

星球也是一樣，像紅巨星這樣的大星球，因為重力塌縮而變成中子星般的小星球（縮減）。星球原本就會緩慢自轉，所以，迅速變小的話，旋轉速度就會急遽增快。

而且，星球一定都有磁場。像地球也是，放一塊磁鐵在地上，它一定會指向北和南。有磁場的物質以驚人的速度旋轉時，就會發出脈衝狀的電波。由於它發出的電波很規律，中子星也叫做脈衝星（會發出脈衝的星星）。

我好像脫離主題，說到和黑洞完全無關的話題了……不好意思。總之比太陽大10～20倍的恆星死掉時，就會成為這種中子星。

中子塌縮，產生黑洞

那麼，如果是比太陽大30倍的巨星，發生重力塌縮（超新星爆炸）之後，又會變成什麼樣呢？由於重力非常大，所以塌縮得也比中子星更小，也就是說它會形成黑洞。

比中子星塌縮得更小是什麼狀況？剛才有說過原子塌縮──原子外側的電子落在原子核──變成中子（中子星）的過程，但塌縮得比中子更嚴重的話呢？中子有空間塌縮嗎？我想是有的。

就像今天一開始說的，中子和質子裡還有夸克這種基本粒子在遊盪。

也就是說，中子的內部其實也是空空的。基本粒子夸克在類似能量湯的狀態中四處游走。如果有更強大的力量（重力）施加上去，這能量湯的部分就會坍塌，最後變成比中子星密度更高──在極小的範圍內，填塞緊密的終極重物，也就是黑洞了。