「黑洞」從何而來?科學家百年來的推論歷程

「黑洞」從何而來?科學家百年來的推論歷程
Image Credit: Event Horizon Telescope @Wikimedia Commons CC BY 4.0

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黑洞是個大多數人都相信,卻沒有人見過的存在。那過去科學家是如何知道黑洞的呢?《新科學人》雜誌主編便在《萬物視覺化》介紹了歷代研究者如何推論黑洞。

2019年4月10日,中研院在內的「事件視界望遠鏡(EHT)計畫」首度公開人類史上第一張黑洞的照片,引起全世界的關注。其實在此之前,黑洞是個大多數人都相信,卻沒有人見過的存在。既然如此,過去科學家們又是如何知道黑洞的呢?《新科學人》雜誌主編格雷恩・羅騰在《萬物視覺化》就提到,這是自18世紀以來,由許多科學家不斷追尋、探究的過程。


不妨在清朗的夜晚,到戶外找一找人馬座。在人馬座之外的某處隱伏著一個怪物:一個超級巨大的黑洞,但它在非常遙遠的天外,你大可放心。你不會看見這個黑洞,它被塵埃遮住了,而且它是全黑的,距離我們27,000光年那麼遠。但我們相信它在那裡,就位在銀河系的中心。

我們通常把黑洞視為20世紀的發現,但這個概念可以回溯到1783年,約克郡的一位牧師兼業餘哲學家米歇爾(John Michell)在那年向倫敦皇家學會投了一篇根據臆測而寫出的論文。

米歇爾當時在思索要如何測量恆星的距離及星等(就連現在的天文學家也對這個問題很頭痛),他從牛頓的光的微粒說出發,該理論主張光是由許多無窮小的粒子組成的。米歇爾推斷,恆星發出的光會因為恆星本身的重力而放慢,所以我們可以透過速度的減少量來測量這顆恆星的質量,進而就能得知它與地球的距離。

在1784年,皇家學會的《自然哲學會刊》(Philosophical Transactions)刊登了米歇爾的長篇論文,這篇論文主要就在談如何運用稜鏡從地球上測量出這個減少量。但也是在異想天開。

米歇爾推斷,如果恆星夠巨大,它的重力就很強大,大到連光都無法逃離魔掌。他還計算出,如果要以這種方式把光困住,這顆恆星的直徑必須是太陽的五百倍左右。他寫道,若有這樣的天體存在,「它發出的光永遠到不了地球」。

這個完全原創的想法偏離了米歇爾的目標,所以他就把它放著。「我不會繼續鑽研下去,」他寫道。

米歇爾說到做到。他在1793年過世前,都沒有再提過這個想法。

幾年後,法國學者拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在思索非常大的恆星的性質時,也得出了同樣的想法。這些恆星的引力將「非常大,大到沒有光能夠脫離恆星表面。因此,我們可能看不見宇宙中最大的天體」。

拉普拉斯可能有打算要繼續發展這個想法,但在1804年,這個想法被一個新理論淘汰了,新的理論主張光是一種波,而非粒子流。若真如這個理論所說,光就不會受重力影響。這個想法就此被人遺忘。

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Photo credit: NASA/Handout via REUTERS/達志影像

重回黑暗之中

1915年愛因斯坦提出了廣義相對論,事情再次有了變化,廣義相對論把重力重新定義成巨大物體(譬如恆星)對時空造成的扭曲。

這個理論做出了一個奇怪的預測,但愛因斯坦本人並沒有注意到,而是天文學家史瓦西(Karl Schwarzschild)告訴他的。史瓦西在參加東線戰事(他在1914年、40歲時志願加入德軍)的閒暇之餘發現了這件事。

史瓦西證明,如果有足夠的質量集中到夠小的空間中,時空曲率會變無限大,結果就得到一個「奇異點」──這是時空中的一個點,在這個點有非常大的重力,大到連光線都無法逃脫。愛因斯坦對此印象深刻,但不相信這樣的物體真的有可能存在。史瓦西在1916年因病(他在戰壕中感染的疾病)過世,而他提出的奇異點終究被斥為純理論上的實體。愛因斯坦在1939年發表一篇論文,據信「證明」了這個論點,這件事就平息了。至少平息了一段時間。

1950年代,天文學家開始利用無線電波探測深太空,結果發現一些非常非常遙遠的天體,譬如類星體,這種天體釋放出龐大的能量,只能藉由廣義相對論來理解。在這之後,大家對於解釋非常巨大的天體的物理學有了新的理解,物理學家開始相信也許有、甚至很可能有奇異點存在。有個很關鍵的突破是「事件視界」(event horizon)這個概念,這是指黑洞的「表面」,一條在時空中的邊界,重力在這裡會變得無比強大,沒有任何東西能逃脫。

1960年代末尾,大多數的物理學家相信黑洞是廣義相對論的必然結果。

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Photo Credit: 大寫出版

黑洞是如何形成的?

質量是太陽兩倍或更多倍的恆星,都注定會變成黑洞。這樣的恆星有巨大的重力場,會產生一股向內的壓力。這些恆星在有生之年,會透過自身核心的核融合反應抵消這股壓力,但燃料耗盡時就無法再抗衡,而開始向自身內縮,這個過程稱為重力塌縮(gravitational collapse)。

有時候這會直接導致黑洞形成,不然就是造成巨大的爆炸,稱為超新星,把外層炸開,留下星核。如果這顆恆星的質量夠大,它會繼續塌縮,隨著塌縮物質的密度越來越大,重力場就變得奇大無比,此後再也沒有回頭路,甚至連光線都逃不出去。一個黑洞就此誕生。

不過,這個過程並沒有解釋超大黑洞的成因,有些超大黑洞的質量至少是太陽的十萬倍。這些黑洞也許只是由大量的物質經年累月盤旋成的普通黑洞,或者是許多普通黑洞合併而成的,也可能是早期宇宙的超大恆星塌縮後的產物。

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沒人完全肯定「黑洞」這個名稱來自何處。一般認為出自物理學家惠勒(John A. Wheeler)在1967年一場演講中提出。但根據《耶魯名句集》(Yale Book of Quotations),黑洞一詞最早見於美國科學促進會(AAAS)在1964年的一篇會議報告裡。看樣子在惠勒得知並推廣黑洞一詞之前,這個稱呼可能正在天文物理學家之間流傳──惠勒擅長記住朗朗上口的用語。

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經濟部工業局推動5G+產業新星揚帆啟航計畫,以人才實戰為主軸並提供豐富的線上與實作課程,線上課程讓人能隨時隨地進修;實作課程讓人動手研究,全面提升技能,更能成為5G應用遍地開花的新助力。

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根據經濟部工業局「未來3年重點產業人才調查及推估-通訊(含5G)產業報告」的研究分析指出,通訊(含5G)產業未來發展趨勢包含3大方向:5G多種技術持續蓬勃發展、非授權頻段技術瞄準5G訊號涵蓋缺口,以及網路基礎建設更新持續帶動通訊設備需求,雖然將能帶動相關的人才需求產生,但人才本職學能的技術含量也備受5G時代需求考驗。

不只是各項職缺都需求具備「電機與電子工程」細學類背景外,多數職缺亦有「軟體開發」細學類背景需求,而在IC設計及機構設計工程師若能額外具備「機械工程」細學類背景者更佳,可見隨著產業發展,人才所要具備的技能已不再是一招打天下,需要更加斜槓。

5G能力從線上課程開始,隨時隨地的自我加值

在無法解決人才缺口的根本結構性問題下,經濟部工業局除了藉由推動5G+產業新星揚帆啟航計畫,賦能在學學生能即早接軌5G產業應用需求、更接地氣之外,也透過豐富的課程為產業人才進行本職學能的加值與再進化。

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線上/實作課程的完美結合,打造全方位5G達人

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此外,也有不少國內企業借助5G+產業新星揚帆啟航計畫提供的線上、直播共學或實作課程,規劃至企業內部訓練,滿足企業需求。包括提供無線通訊量測服務、系統整合及創新研發的「川升股份有限公司」、軟板專業製造服務的「台郡科技股份有限公司」、開發電腦周邊、通信技術及消費性電子產品予品牌供應商的「和碩聯合科技股份有限公司」;專精於無線通訊產品的設計、研發、製造與封測的「啟碁科技股份有限公司」;專注5G及各項天線設計製造的「連騰科技股份有限公司」;高階電競及專業創作領導品牌「微星科技股份有限公司」;以及提供無線射頻技術服務供應商的「耀登科技股份有限公司」等,藉由產官學合作,共同提升在職人士的5G能量。

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5G+產業新星揚帆啟航計畫不只從校園出發,鼓勵學生在學時期就能觸類旁通,多瞭解當前市場5G的場域應用,從中了解到自己還需要強化哪些領域的技能,為未來接軌5G市場做準備;同時也為補足當前市場上人才、在職人士所缺少的能力,提供線上與實體課程,將有助於產官學界一起為人才在5G的本職學能上加值,不只是能促成產業內部技術人才投入5G的產業研發,更希冀在需才孔亟的時代,積極培育出5G技術與應用人才,強化我國5G競爭力,為產業再開拓另一條護城河。

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