黑洞簡史：從奇異點到重力波，愛因斯坦到霍金，清晰解析困擾物理界300年的神秘天體(Black Hole: How An Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, And Gambled on by Hawking Became Loved,Marcia Bartusiak)
1974年12月霍金與索恩(Kip Thorne)打賭天鵝座x-1是不是黑洞,霍金認為不是,雙方據此寫下賭約白紙黑字為證.1990年6月的某日霍金到了在加州理工學院的索恩辦公室,親自按指宣告認輸,當年他許下的賭注是一年份的Penhouse Magazine.這小故事,看來沒甚麼,實際上它說明的是科學上證明的艱難,一個賭注要花16年的時間才有輸贏.此事之思當然不僅如此,除非能"眼見為憑"或有不可磨滅的證據,其實當世無人能有100%的信心說天鵝座x-1就是黑洞,畢竟那是6000光年外的事,但科學家不同於文人,有合於他認可的證據就極可能是科學事實,不須硬柪,索恩是不可能靠吵架瞎掰或呼朋引伴靠人多勢眾讓霍金認輸的,讓他認輸的是只能是科學事實真相.
這本"黑洞簡史"可以分解成為三部分內容的交疊,其中一部分專講天文物理學上傳奇,講物理學家,天文學家的故事.而第二部分則是以"黑洞"與由其衍生相關的知識為科普的內容,講黑洞和相關現象的物理學常識,第三部則是關於是黑洞物理學的歷史和理論的導引與發展.事實上遲至1967年惠勒(John Archibald Wheeler)在美國科學促進會上的演講中使用了"黑洞"一詞,這個black hole才成為正式的天文學上的名詞,在此之前,它只是用來代稱"那個"特殊的天文現象而已.我用"那個"現象,其實是一個複雜結合了天文發現與現代物理學觀念的事件,由地球上透過望眼鏡觀看發現宇宙中有一些恆星彼此間極為接近,但肉眼看起來卻像只有一顆恆星,這些彼此接近的恆星稱為雙星,聯星,或類星體,除了外觀,事實上彼此間的引力還會互相作用,黑洞就是這些引力作用結果下的一種樣貌出象,也就是有著互動的軌道,並且被彼此的重力束縛在一起,作用的結果可能形成白矮星,中子星,黑洞,等等天體現象.所以"黑洞簡史"結合了兩部分的歷史,一是星體發展的歷史,一是人類觀察星體的歷史.既然雙星或多星的"引力"是誘發這一切的開始,本書便以人類知道"引力"這件事的牛頓開始,藉由觀察這件事"雙星"的運度探索中,逐漸地將當下物理學的發展新觀念引入,所以其後愛因斯坦的相對論,與後來的量子力學等觀念知識都被科學家運用成了探索黑洞的知識工具.
內文講述的是一個黑洞概念從發現到發展的科學發現史,在現代物理和天文學中扮演重要角色的人物,比如愛因斯坦,錢卓斯卡,歐本海默,惠勒,霍金,彭羅斯以及索恩本人都一一登場了,書中討論這些人物並不是簡單的講述人物故事,而實質上是根據這些人物所涉及的事件闡述了關鍵的物理概念的發展過程,比如,在歐本海默與惠勒的故事中奧本海默是如何證明了中子星必然有一個質量上限,大質量恆星的塌縮為何是不可避免的,以及塌縮最終會產生光都跑不出來的事件視界,而惠勒從一開始懷疑到最終承認了塌縮的必然性,以及他認為廣義相對論與量子力學有可能在黑洞奇異點統一的猜測,惠勒還預言了可能會有某種機制可以把黑洞的質量轉變成輻射從而釋放回我們的宇宙,而這一點則在後來霍金有關黑洞具有熵以及其必然蒸發的理論中得到了支持,這也是霍金輻射的發現,與他自己打賭認輸的原點.
愛因斯坦的廣義相對論以今日的角色看,絕對的偉大創見,但是從本書中我們知道它竟然被無視擱置超過了30年,雖然它解釋了水星運動與牛頓引力理論預言的偏離,後來又能合理解釋了哈勃在威爾遜山天文臺觀測到的遙遠星雲的紅移,但是隨後就陷入瓶頸,那時多數物理學家注意力轉向了量子物理,轉向了核物理,高能粒子物理和天文觀測學.黑洞的概念在牛頓引力理論發現後不久,就被提出來了,但僅至於一種概念.然而黑洞發現真正的疑惑者,敢於提出挑戰的人,錢卓斯卡才是關鍵人物,儘管他一直被打壓,甚至於後來放棄這個方向的研究.他根據相對論推論某個質量的星體在耗盡高溫的核能源後,將出現形成某種坍縮狀態,其後茲維基,歐本海默等人分別在這個概念下進行研究,他們證明存在一個特定的質量範圍,在此圍內的星體確實會坍縮,且將形成一種由致密的中子堆積狀態,即所謂的中子星,不論哪種情況,星體核能耗盡時的內部擠壓都會伴隨一個相對短時間的巨大能量噴發,噴發的結果,就是我們在遙遠星雲和銀河系中偶爾會看到的光亮的超新星,但事錢卓斯卡的疑惑在於若星體的質量超大,大到超過某個臨界值之後若發生坍縮狀態會是怎樣的結果?超過1.4個太陽質量的白矮星發生坍縮會如何,因為1930年代的天文學界根本還沒準備好要接受"坍縮"的概念,加上學術大老的打壓,這個疑問就被錢卓斯卡擱置了,似乎必須有新的觀念與想法帶領才能在此問題上有突破,這個答案便是廣義相對論的復興與量子物理的出現.
在20世紀50年代和60年代,科學家們從核物理和高能物理研究獲得的知識在宇宙學理論中找到了自然的位置,支持了通常所說的宇宙形成的大爆炸理論,人類確實觀測到了歐本海默預言的中子星,它們的行為也同理論預言的完全一樣,這使人們逐漸完全相信,超新星是經歷了最後的引力坍縮的恆星,如果說中子星能存在於某一確定的質量範圍,那麽也就有理由懷疑認為"黑洞"是質量更大的恆星,質量大於白矮星,中子星的產物.雖然大量的觀測證據都將是間接的,但這類間接的證據現在已經很多了足以證明錢卓斯卡的懷疑,其後廣義相對論的有效性還得到了另外幾方面證據的支持,包括在太陽系中飛行的人造衛星和行星軌道的高精度測量和某些星系對外來光線的“透鏡”作用,其後發現的大質量雙星系運動的能量損失,可能是它們發射引力波的結果,這些都是相對論的一個重要預測推論得到證實,這些發現,不但使人類敢於相信廣義相對論在黑洞附近的那些未經證實的預測,也為人們對於黑洞的行為與狀態推測打開了更廣闊的想象空間.
從"黑洞簡史"裡還能看出它與核武的研發有著相當關係,最早提出關於中子星現象與理論的歐本海默就是美國曼哈頓計劃的領導人,而確認了"黑洞"一詞地位的惠勒其實也曼哈頓計劃的參與人,後來美國的氫彈發明與他有重大相關.同樣在蘇聯,參與黑洞研究的澤爾多維奇也是蘇聯核武器項目的負責人之一.因為計算氫彈爆炸過程與推算的計算模擬可以用來從事計算研究星球的塌縮,後來雖然廣島的悲劇讓歐本海默戰後開始走向主張限制核武與惠勒的分道揚鑣,但是,核武器發展與黑洞理論建立這兩個故事的線索是互相交錯的.
黑洞內藏的力量實在驚人,可能包含著數十萬顆太陽的質量,被強大的引力吸收進去,當氣體燃燒的外擴的力量不能阻擋,便展開了坍縮運動,形成了一個體積極小,密度極大甚至於無限大的狀態,恕我我法想像將幾十萬顆太陽擠成一座城市大小的狀態會是怎樣,黑洞質量大,引力場強,粒子和光都不可能像平常離開太陽那樣從黑洞逃逸出去,而觀測者從遠處靠近這樣的黑洞會遭遇哪些事情,只是根據廣義相對論在強引力作用下推論,其實並沒有任何人能夠實證.對於人類來說,從地球看見推論遙遠的星球,太空,宇宙可見的現象都還是屬於"事件視界"外的事物,對於尋常人來說,記住這些科學人物的名字或他們發現某種現象過程的可能有點意義,但將那些人追求知識真相所展現的科學精神放在心中更重要吧.誠實做事與說話,很難嗎?.以上.
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