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《黑洞捕手》:用一張黑洞照片開啟了時間旅行元年

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安安,你好,你聽過「事件視界望遠鏡計畫」嗎﹖

二○一九年是台灣人值得驕傲的一年。
黑洞有一個邊界,稱為「事件視界」。由全球五個國家的科學家所組成的「事件視界望遠鏡計畫」(Event Horizon Telescope, EHT),在二○一九年四月十日,舉行全球同步記者會,公布了人類史上第一張黑洞照片,而台灣正是這個計畫團隊的成員之一
這張照片不但驗證了愛因斯坦黑洞理論的真實性,更可能為人類標示出時間旅行的開端,時間旅行不再只是科幻小說的題材,他將變成真實的存在!

這次照片所拍攝的主角—黑洞M87橢圓星系(室女A星系),是距離銀河系最近的黑洞之一,但即使如此,也與地球相隔5,500萬光年之遙,為了要拍到M87,科學家們必須建造一個像地球直徑那麼大碟面的望遠鏡,但這在實際上是不可能的任務,於是取而代之的解決辦法就是聯合世界各地的無線電波望遠鏡對M87作同步觀測。
「事件視界望遠鏡計畫」從二○一七年成立以來,就預計要在全球各地建造八個無線電波望遠鏡,台灣的中研院團隊從初期就加入了這個計畫,而且合作興建了其中三座望遠鏡(SMA、ALMA、JCMT),這個團隊的領導者就是《黑洞捕手》這本書的作者陳明堂博士
陳明堂博士在這本書裡提到,台灣的中研院團隊在這次的計畫裡扮演了重要角色,不只是望遠鏡的建造,我們在經費和人力的貢獻上也舉足輕重,所以整個計畫的十三席董事成員,台灣中研院就佔了兩席。

EHT-事件視界望遠鏡-ALMA-JCMT-SMA
照片取自 國立天文台 EHT参加望遠鏡紹介映像 / EHT Montage

為什麼人類拍到第一張黑洞照片這麼重要?

這是科學家首次以「直接證據」證明黑洞存在。
黑洞是一個空間和時間都被嚴重扭曲的地方,只要稍微靠近黑洞的物體都會被吸進去,再也出不來,因此不可能有任何人可以搭乘太空船靠近黑洞去幫它拍一張照片,然後還可以毫髮無傷地返回地球。所以,雖然早在一百多年前,愛因斯坦的廣義相對論就曾推論宇宙間有黑洞這種物質,但是在「事件視界望遠鏡」計畫公布這張照片之前,「黑洞」一直都只是紙上談兵,它只存在於科學家的理論裡。


照片取自 EHT collaboration

如果大家有興趣的話,中研院也針對黑洞這個主題規劃了「黑洞主題特展」

愛因斯坦不是第一個討論黑洞的科學家﹖

其實,第一個討論黑洞的人是十八世紀的英國自然哲學家米歇爾(John Michell),他在一七八三年時就曾提到,所有的星球都有引力,這股引力會試圖拉住所有靠近的物質。舉例來說,所有物質想要離開地球,不被地心引力拉回,這個物質的速度必須達到每秒11公里以上;如果一個物質想要離開太陽不被他的引力拉回,這個物質的速度必須達到每秒617公里以上。
接著他做了一個假設,如果有一顆星球他的引力非常大,大到要脫離他的速度必須大於光速,那表示我們根本看不到這顆星球,因為從它發射出來的光,最後都會被它自己的引力吸回去。這就是米歇爾所說的「黑暗星」(dark star),也就是我們現在所說的「黑洞」。

如果你好奇黑洞裡面長什麼模樣,記得要挑一個大的黑洞—《霍金大見解》

不過,直到一九一五年愛因斯坦提出完整的廣義相對論架構之後,才廣泛引起科學家們的興趣,陸陸續續發表了一些相關的理論,其中最為我們熟知的科學家,就是英國的霍金博士,如果大家想知道他對黑洞的看法,可以拜讀他的經典著作《圖解時間簡史》,如果你是個天文學的初學者,那你也可以看看霍金生前的遺作《霍金大見解》。
霍金在這本書裡探討了十個連一般人都會有興趣的問題,每個問題的解答大約都只有兩、三千字,用字深入淺出,非常適合天文學的初學者或沒有空閒閱讀長篇大論的讀者。
《霍金大見解》這本書裡就有兩個問題和黑洞有關,分別是第五個問題「黑洞裡面是什麼?」,以及第六個問題:「時間旅行有可能嗎?」

黑洞和時間旅行有什麼關聯?

看到這裡一定又會有讀者好奇黑洞和時間旅行之間的關聯。早在愛因斯坦的廣義相對論提到黑洞之前,時間旅行就已經出現在許多小說家的作品裡,像是一八九五年英國作家赫伯特·喬治·威爾斯(Herbert George Wells)發表的作品《時間機器》(The Time Machine),就是一部談論時間旅行的小說,也因為這部小說用了許多科學理論來解釋時間旅行的可行性,所以被稱作是人類史上的第一部科幻小說,但是威爾斯畢竟只是一位小說家,書中提到的科學理論都只是出於他的遐想。
直到愛因斯坦的廣義相對論提出後,時間旅行才有了真正的科學根據。他的理論指出,只要我們發明一台速度大於光速的機器,時間旅行就有可能成真,不過他接著又潑了我們一身冷水,他提到要發明這樣一台機器必須要有無限大的能量,以目前人類的科技來說是不可能的任務。但是自然界裡卻存在著穿越時空的條件,也就是黑洞。只要我們可以控制黑洞扭曲時間和空間的程度,我們就可以隨心所欲地回到過去或未來的某一個時空。
當然,如果我們有時間寶石(THE TIME STONE),這一切就省事多了。
復仇者聯盟-時間寶石-薩諾斯

於是在愛因斯坦的廣義相對論提出之後,這一百多年來,不只科學家們想要證明黑洞的存在,小說家們更是在黑洞理論的基礎上發表了許多時間旅行的故事,這些故事在時間旅行成真之前,他們的想像力可以先帶領我們穿梭於過去和未來,滿足我們對於時間旅行的想望。而且霍金本人應該也是科幻迷,他在《霍金大見解》裡,為了讓大家容易理解他的學說,總是會舉許多科幻小說和電影的劇情當例子。

可惜的是,霍金二○一八年三月十四日就過世了,而包含台灣中研院在內的「事件視界望遠鏡」計畫,是在隔年的四月十日才發表了第一張黑洞照片,就差了那麼一年又多一點點的時間,霍金就可以和大家一起親眼見證黑洞的存在,如果他知道黑洞真實存在,也許可以啟發他更多的想像力,他以後的作品不會再舉科幻小說或電影的情節當例子,很可能他會和陳明堂博士來場相見歡,接著他們會在黑洞這個主題上多有討論,激盪出更多關於時間旅行理論的推衍,然後霍金會告訴世人,二○一九年是時間旅行的元年!

►延伸閱讀:天下文化《黑洞捕手》,陳明堂 著

►延伸閱讀:天下文化《霍金大見解》,史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 著

►延伸閱讀:大塊文化《圖解時間簡史》,史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 著

天下文化-黑洞捕手 天下雜誌-霍金大見解 大塊文化-圖解時間簡史