【立場轉載】【2020 諾貝爾物理學獎】廣義相對論與宇宙最黑暗秘密
打風落雨留在家，為何不試試學習黑洞的理論呢？😹😹😹
／／諾貝爾獎有三個科學奬項，我們在學校也習慣以「物理、化學、生物」等不同科目去區分不同科學領域。這種分界當然能夠方便我們以不同角度去理解各種自然現象，但大自然其實是不分科目的。科學最有趣的是各種自然現象環環相扣，我們不可能只改變大自然的某一個現象而不影響其他。就好像蝴蝶效應，牽一髮而動全身。
廣義相對論間接推論暗物質存在的必要
廣義相對論是目前最先進的重力理論，它能夠解釋迄今為止所有實驗和觀測數據。然而，天文學家發現銀河系的轉速和可觀測宇宙的物質分佈，都顯示需要比觀測到的物質更加多的質量。這是物理學的其中一個未解之謎，有時會被稱為「消失的質量」問題。那些「應該在而卻看不到」的物質，就叫做暗物質 (dark matter) 。
有些物理學家猜測，會否根本沒有暗物質，而是廣義相對論需要被修改呢？他們研究「修正重力 (modified gravity) 」理論，希望藉由修正廣義相對論去解釋這些觀察結果，無需引入暗物質這個額外假設。可是從來沒有修正重力理論能媲美廣義相對論，完美地描述宇宙一切大尺度現象。
天文學研究向來難以得到諾貝爾獎，因為天文發現往往缺乏短期實際應用。然而過去十年之間，有關天文發現的研究卻得到了五個諾貝爾物理學獎。換言之，過去幾十年間改變人類對宇宙的基本認知的，有一半是來自於天文現象。其中有關廣義相對論的包括 2017 年的重力波觀測、 2019 年的宇宙學研究，以及 2020 年的黑洞研究。
不過很少人提及這三個關於廣義相對論的發現其實同時令暗物質的存在更加可信。因為這些發現測量得越精確，就代表廣義相對論的錯誤空間更小。換句話說，物理學家越來越難以靠修正重力去解釋「消失的質量」問題，所以暗物質的存在就越來越有其必要了。
換句話說，如果證明黑洞存在，其對科學的影響並不單止是為愛因斯坦的功績錦上添花，而是能夠加深人類對構成宇宙的物質的理解。
描述四維時空的圖
談黑洞之前，我們首先要理解一下，物理學家是如何研究時空的。研究時空的一種方法，就是利用所謂的時空圖 (spacetime diagram) 。一般描述幾何空間的圖，在直軸和橫軸分別表示長和闊，形成一個二維平面。有時更可按需要加多一條垂直於平面的軸，代表高度。長、闊、高，構成三維空間。但如果要再加上時間呢？那麼就再在垂直於長、闊、高的第四個方向畫一條軸吧。咦？
怎麼了，找不到第四個方向嗎？這是當然的，因為我們都是被囚禁在三維空間之中的生物。如果有生活在四維空間裡的生物，牠們會覺得我們很愚蠢，問我們：「為什麼不『抬頭』？第四個方向不就在這邊嗎？」就像我們看著平面國的居民一樣，在二維生物眼中，牠們的世界只有前後左右，沒有上下。到訪平面國的我們也會問：「為什麼不『抬頭』？第三個方向不就在這邊嗎？」但牠們無論如何也做不到。
宇宙是三維空間，另外加上時間。如果要加上時間軸這個「第四維」的話，我們就必須犧牲空間維度。物理學家使用的時空圖就是個三維空間，直軸代表時間（時間軸）、兩條水平的橫軸代表空間（空間軸）。當然，把本來的三維空間放在二維的平面上，我們需要一些想像力。在時空圖上，每個點都代表在某時某地發生的一件事件 (event) ，因此我們可以利用時空圖看出事件之間因果關係。一個人在時空中活動的軌跡，在時空圖上稱為世界線 (world line) 。
由於時間軸是垂直的，並且從時空圖的「下」向「上」流動。一個站在原地位置不變的人的世界線會是平行時間軸的直線。由於光線永遠以光速前進，光線的世界線會是一條斜線。而只要適當地選擇時間軸和空間軸的單位，光線的世界線就會是 45 度的斜線。因為沒有東西能跑得比光快，一個人未來可以發生的事件永遠被限制在「上」的那個由無數條 45 度的斜線構成的圓錐體之間，而從前發生可以影響現在的所有事件則永遠在「下」的圓錐體之間。這兩個「上」和「下」的圓錐體內的區域稱為那個人當刻的光錐 (light cone) ，而物理學家則習慣以「未來光錐 (future light cone) 」和「過去光錐 (past light cone) 」分別表示之。
所有東西的世界線都必定被位於未來和過去光錐之內。在沒有加速度的情況下，所有世界線都會是直線。如果涉及加速，世界線就會是曲線。而廣義相對論的核心概念，就是重力與加速度相等，兩者是同一種東西。因此我們就知道如果在時空圖上放一個質量很大的東西，例如黑洞，那麼附近的世界線就會被扭曲。不單是物質所經歷的事件，連時空也會被重力場扭曲，因此時空圖上的格網線和光錐都會被扭曲往黑洞的方向。換句話說，越接近黑洞，你的越大部分光錐就會指向黑洞內部。因為你的世界線必須在光錐之內，你會剩下越來越小的可能逃離黑洞的吸引。
2020 年的諾貝爾物理學獎一半頒給了彭羅斯 (Roger Penrose) ，以表揚他「發現黑洞形成是廣義相對論的嚴謹預測」。在彭羅斯之前的研究，大都對黑洞的特性作出了一些假設，例如球狀對稱。這是因為以往未有電腦能讓物理學家模擬黑洞，只能用人手推導方程。但廣義相對論是非線性偏微分方程，就算不是完全沒有可能也是極端難解開的，所以物理學家只能靠引入對稱和其他假設去簡化方程。因此許多廣義相對論的解都是帶有對稱假設的。這就使包括愛因斯坦在內的許多物理學家就疑惑，會不會是因為額外加入的對稱假設才使黑洞出現？在現實中並沒有完美的對稱，會不會就防止了黑洞的出現？
黑洞只是數學上的副產品嗎？
彭羅斯發現普通的高等數學並不足以解開廣義相對論的方程，因此他就轉向拓撲學 (topology) ，而且必須自己發明新的數學方法。拓撲學是數學其中一個比較抽象的分支，簡單來說就是研究各種形狀的特性的學問。 1963 年，他利用一種叫做共形變換或保角變換 (conformal transformation) 的技巧，把原本無限大的時空圖（因為空間和時間都是無限延伸的）化約成一幅有限大小的時空圖，稱為彭羅斯圖 (Penrose diagram) 。
彭羅斯圖的好處除了是把無限縮為有限，還有另一個更重要的原因：故名思義，經過保角變換後的角度都不會改變。其實在日常生活中，我們經常都會把圖變換為另一種表達方式，例如世界地圖。由於地球表面是彎曲的，如果要把地圖畫在平面的紙上，就必須利用類似的數學變換。例如我們常見的長方形或橢圓形世界地圖，就是利用不同的變換從球面變換成平面。有些變換並不會保持角度不變，例如在飛機裡看到的那種世界地圖，在球面上的「直線」會變成了平面上的「曲線」。
扯遠了。回來談彭羅斯圖，為什麼他想要保持角度不變？因為這樣的話，光錐的方向就會永遠不變，我們可以直接看出被重力影響的事件的過去與未來。彭羅斯也用數學證明，即使缺乏對稱性，黑洞也的確會形成。他更發現在黑洞裡，一個有著無限密度的點——奇點 (singularity) ——必然會形成。這其實就是彭羅斯-霍金奇點定理 (Penrose-Hawking singularity theorem) ，如果霍金仍然在世，他亦應該會共同獲得 2020 年諾貝爾物理學獎。
在奇點處，所有已知物理學定律都會崩潰。因此，很多物理學家都認為奇點是不可能存在宇宙中的，但彭羅斯的計算卻表明奇點不但可以存在，而且還必定存在，只是在黑洞的內部罷了。如果黑洞會旋轉的話（絕大部分都會），裡面存在的更不會是奇點，而是一個圈——奇異圈 (singularity ring) 。
黑洞的表面拯救了懼怕奇點的物理學家。黑洞的表面稱為事件視界 (event horizon) ，在事件視界之內，你必須跑得比光線更快才能回到事件視界之外。因此沒有任何物質能夠回到黑洞外面，所以黑洞裡面發生什麼事，我們都無從得知。就是這個原因給予了科幻電影如《星際啟示錄 (Interstellar) 》創作的空間——在黑洞裡面，編劇、導演和演員都可以天馬行空。只要奇點永遠被事件視界包圍，大部分科學家就無需費心去擔心物理學可能會分崩離析了。甚至有些科學家主張，研究黑洞的內部並不是科學。
雖然如此，卻沒有阻礙彭羅斯、霍金等當代理論天體物理學家，利用與當年愛因斯坦所用一樣的工具——紙和筆——去研究黑裡面發生的事情。雖然或許我們永遠無法證實，但他們的研究結果絕非無中生有，而是根據當代已知物理定律的猜測，即英文中所謂 educated guess 。利用彭羅斯圖，我們發現不單奇點必定存在，而且在黑洞裡面，時間和空間會互相角色。
但這是什麼意思？數學上，時間和空間好像沒有分別，但在物理上兩者分別明顯：在空間中我們可以自由穿梭，但在時間裡我們卻只能順流前進。彭羅斯發現，帶領掉入黑洞的可憐蟲撞上奇點的並非空間，而是時間，因此我們也說奇點是時間的終點。亦因為在黑洞裡面掉落的方向是時間，向後回頭是不可能的，所以一旦落入黑洞，就只能走向時空的終結。
看見黑洞旁的恆星亂舞
另一半諾貝爾獎由 Reinhard Genzel 和 Andreas Ghez 平分，以表揚他們「發現銀河系中心的超大質量緻密天體」。銀河系中心的確有一個超大質量的物體，而且每個星系中心都有一個。這些質量極大的物體，就是所謂的超大質量黑洞 (supermassive blackholes) 。
上世紀 50 年代開始，天文學家陸續發現了許多會釋放出無線電輻射的天體，稱為類星體 (quasars) 。之後其中一個類星體 3C273 被觀測確認是銀河系外的星系中心。根據計算， 3C273 釋放出的無線電能量是銀河系中所有恆星的 100 倍。起初，天文學家認為這些能夠釋放巨大能量的類星體，必然是些比太陽重百萬倍的恆星。但是理論計算結果卻表明，這麼重的恆星會是極不穩定的，而且壽命會非常短，因此類星體不可能是恆星。
為什麼這些類星體不可能是恆星？因為恆星的發光度是有極限的，而且正比於恆星的質量。這個極限稱為愛丁頓極限 (Eddington limit) 。如果恆星的發光度超出愛丁頓極限，光壓（radiation pressure ，即光子對物質所施的壓力）就會超過恆星自身的重力，恆星就會變得不穩定。因此，天文學家逐漸改而相信類星體是位於星系中心的超大質量黑洞。這也令類星體多了一個名字：活躍星系核（active galactic nucleus）。
每個黑洞旁邊都有一個最內穩定圓形軌道 (innermost stable circular orbit) ，依據黑洞會否旋轉而定，大概是黑洞半徑的 3–4.5 倍。比最內穩定圓形軌道更接近黑洞的範圍，環繞黑洞運行的物質都會因不穩定的軌道而墜落黑洞之中，並在墜落的過程中釋放出 6–42% 的能量，因此可以解釋活躍星系核的強大發光度。
另一方面，彭羅斯在 1969 年亦發現一個旋轉的黑洞能夠把能量轉給物質，並且把物質拋出去，這個過程稱為彭羅斯過程 (Penrose process) 。換言之，從黑洞「偷取」能量是有可能的。科學家估計，科技非常先進的外星文明有可能居住於黑洞附近，並利用彭羅斯過程從黑洞提取免費的能源。這個過程亦進一步支持超大質量黑洞能夠釋放巨大能量的理論。
由於 E=mc2 ，能量即是質量，因此被偷取能量的黑洞的質量就會減少。霍金在 1972 年發現一個不會旋轉的黑洞的表面積不可能減少。黑洞質量越大，其表面積就越大，因此不會旋轉的黑洞不會有彭羅斯過程。他亦發現，如果是個會旋轉的黑洞，其表面積是有可能減少的。因此霍金的結論支持了彭羅斯的理論。
Genzel 和 Ghez 兩人的研究團隊已經分別利用位於智利的歐洲南方天文台 (European Southern Observatory) 的望遠鏡和位於夏威夷的凱克望遠鏡 (Keck Telescope) 監察了距離地球約 25,000 光年的銀河系中心區域將近 30 年之久。他們發現有很多移動速度非常快的恆星，正在環繞一個不發光的物體轉動。這個不發光的物體被稱為人馬座 A* (Sagittarius A*, 縮寫為 Sgr A*) 。 Sgr A* 會放出強大的無線電波，這點與活躍星系核的情況相似。
他們不單確認了這些恆星的公轉速率與 Sgr A* 的距離的開方成反比， Genzel 的團隊更成功追蹤了一顆記號為 S2 的恆星的完整軌跡。這兩個結果都表明， Sgr A* 必然是一個非常細小但質量達 400 萬倍太陽質量的緻密天體。這樣極端的天體只有一種可能性：超大質量黑洞。
霍金輻射 黑洞的未解之謎
諾貝爾物理學委員會在解釋科學背景的文件中亦特別提及霍金的黑洞蒸發理論以及霍金輻射 (Hawking radiation) 。現時仍然未能探測到霍金輻射的存在，未來若成功的話除了將再一次驗證廣義相對論以外，更會對建立量子重力理論 (quantum gravity theory) 大有幫助。就讓我們拭目以待吧！
重力波研究、宇宙學研究、黑洞研究，都是直接檢驗廣義相對論預言的方法。加上 2019 年 4 月 10 日公布的黑洞照片，大自然每一次都偏心愛因斯坦。相信愛因斯坦在天上又會伸出舌頭，調皮地說：「我早就知道了！」／／
四維空間生物 在 看板Gossiping - Re: [問卦] 四維空間有身體嗎 - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
※ 引述《empire42s (太陽王朝)》之銘言：
: 假設一張紙上有一隻二維生物
: 拿手指戳破紙
: 該生物只會看到手指與紙張相截的那個面
: 看不到整個手指在三維的其他部分
: 那在三維的我們 只能看到身體在三維的一小部分
: 說不定在四維空間裡我們還有更大的身體
: 只是觀測不到而已
: 有卦嗎？
:
這篇充滿維度的文章...是何等的勤勉！！
原po一定是愛...愛的信徒！
看到這份愛，卻這麼晚回應的我是怠惰啊！
身為科普的使徒！必須要回應這份愛啊！！是愛啊！！！
啊啊啊.....大腦在顫抖顫抖顫抖抖抖抖抖抖
咳～關於原po問題的說明，可以參考一位英國中學校長亞柏(Edwin Abbot)在1884年
出版的一本諷刺小說《平面國》 (Flatland: A Romance of A Many Dimensions by
a Square)。雖然這是一本批判當時英國社會階層制度的小說，但是完整地描述了
次元空間的一些特性。(就是原po所述的那樣。)
小說中，生活在二次元空間的Square先生在有一天突然遇到球體大神正穿越平面世界。
一開始是一個點碰到這個平面，接著越往上升先是越來越大(到達圓周的時候是最大)，
然後又越變越小。 Square先生認為自己看到一個可大可小的圓形怪物，但這位大神
竟然說話了，「他是來自另一個世界，名字叫做『球』。」
這位被Square先生視為怪物的球體大神，試著努力解釋什麼叫做三次元空間，什麼
叫做立體，但Square先生完全聽不懂。不是因為他裝睡叫不醒，而是由於平面的人
無法看到三次元的事物，只能看到或是了解這些事物的切面型態。
其實，別說square先生無法理解，換做是我生活在這個三次元空間任何人也是無法理解
更高次元以上的空間。在此，先說明一下為何我們看不到高等次元。基本上，這不是
眼睛有問題，所以不用去找眼科。
你之所以能感受到三維空間(或是稱作三次元)這樣一個概念，其實是出於人類的本能。
舉例來說，當你扮成搶匪走進銀行內，就可以馬上辨識出櫃檯、匯率板、攝影機等
擺設，甚至是正妹行員這種可愛又迷人的角色。簡單來說，我們光靠本能就可以將
這些物體的長、寬、高描繪出來。（這類的計算，只是在潛意識內進行，我們當然
不會意識到運算過程，這是長久以來為了求生存而演化的結果。如果，我說如果，
要是你能意識到大腦正在進行種種運算，身體早就癱瘓得無法行動。）
三次元的本能觀念，打從出自娘胎就已經根深柢固在我們腦海之中。愛因斯坦加入了
時間次元，將它擴充成第四次元。(物理學家稱超越長、寬、高的空間次元與時間次元
為第五次元或是高等次元。)
回到最開始的問題，別說是理解了，高等次元的空間我們根本看不到它，如同怠惰的
司教培堤爾其烏斯的權能「不可視之手」。高等次元的各個維度空間是不可視的，
無論你怎樣嘗試都做不到，更別說是去想像它的存在。雖然如此，我們仍可以用
數學公式來描述，電腦也可以解出多次元空間公式。
之所以看不到高等次元的原因是來自於演化的意外發展。剛才提過，關於三次元的
概念是一項本能，大腦也就是為了應付這樣的狀況才演化成目前的結果。千萬年前，
一隻老虎朝你撲來，本能會讓你作出反應，看是拔腿狂奔或是作出反擊；而到了現代，
遠方一輛失控的車子朝你衝來，本能仍是告訴你，看是要選擇躲避還是打卡留言。
擁有這些技能，就代表你能在世上多活上一陣子。只不過，人類並沒有擁有應付在
四次元以上遇到威脅時的能力，因為老虎或是車子並不會從第四次元衝出來。
再者，之所以物理學家主張高等次元的理由是，三次元太小了，無法描述宇宙所有
的自然定律；多增加一個次元可以簡化、統合這些定律。舉例來說，古代戰爭的
第一守則就是佔領高地。從一個二次元的戰場，跳換成三次元的視野，所有的戰鬥
都可以清清楚楚地統整成單一場景。再不然，想像你是某遊戲新手玩家，
當你取得「開圖」技能之後，處在「上帝的視角」來看整張地圖，仿佛有一種
天大地大我最大的感覺。
愛因斯坦就是利用這個化繁為簡的原則，發現時間是第四次元，並證明了空間與時間
可以統整為一，之後更是發展出將以這兩個為測量基礎的物理量整合在一起，如：
質量與能量。(E=MC^2就是因此得來。)
高等次元的第一個理論是克魯查－克萊因理論(Kaluza-Klein Theoy)。這兩位科學家
發展出重力新理論，認為光其實是第五次元的振動。註*
光可以穿越真空是因為真空是存在於四次元空間與時間裡。只要我們再多增加一個次元
(即第五次元)，重力與光將統合在一起。
註:
想像魚缸內的魚兒緊貼著水面下游動的情景，把這隻小生物的生活空間想像成只有
兩個次元。由於我們人類所在的三次元空間已經超出它的體驗，那要如何讓它察覺到
第三個次元的存在呢?
舉個例，如果下雨了，它可以輕易看到水波形成的影子沿著水面蔓延開去。由此推論，
雖然我們看不見第五次元，然而第五次元的波紋，在我們看來──就是光。換句話說，
我們人類只不過等同於從小小的魚缸內看宇宙而已。
過去半個世紀以來，克魯查－克萊因理論的矛盾終於被破解了，而帶領這股潮流的
就是超重力理論(Supergravity theory)或超弦理論(superstring theory)等學說。
科學家相信，唯有研究高次元(超空間理論)，才能創造出統一各個自然定律的
大一統理論。
ps1.超弦理論預測了時空的次元數：十次元。
ps2.採用十次元的原因在於科學家可以有足夠的「空間」來容納四個基本作用力，
也可以解釋目前粒子對撞機所產生的一堆粒子。
如果你問，我們存在的宇宙是否存在於高等次元內？基本上，目前還無法以實驗證實，
不過，有個人曾經這樣說，「我對普通的人類沒有興趣，你們當中要是有外星人、
未來人、異世界人以及超能力者的話，就儘管來找我吧！」
最後，關於高維度空間問題，在一百年前就已經在討論了，當時關於第四次元的各種
論點可是非常夯(小說、魔術、鬼魂、神佛...)。有一位叫欣頓(Hinton)的數學大師
把第四次元具現化並通俗化地介紹給大家認識。他使用三種方式把高等次元物體
圖象化：投影、橫切面與展開，實至今日，他的這三個手法仍是目前科學家用來
理解與研究高等次元的方式。達利與畢卡索的作品也深受第四次元的影響。
當然，這又是另一個有趣的話題。
最後，在這本科幻小說《The Monster from Nowhere》有提到接觸到(甚至是捕捉)
來自高等次元的怪物會是什麼樣的經驗...這留給有興趣的鄉民去找來看看....
reference:
1.不可能的物理學
2. https://www.awaker.org/a/yishiyukexue/kexuetansuo/2013/0401/7029.html
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對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。
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