Friday, January 10, 2020

日环食,霍金与黑洞 Ring of fire, Stephen Hawking and black hole

2019年岁末,老天送给新加坡的节日礼物是日环食。日环食景观只维持两分钟,许多人都停下脚步,为天文景观“火之环”(ring of fire)定格。下次再会是44年后,到时拍摄火之环的将是不同的一组人,我们当中许多人面应是不知何处去了。


(恭锡街Keong Saik Road所拍摄的日环食。图片来源:Lynn Wong。)

天文现象给予我们奇妙的感觉,古人为了保护后羿射日后剩下的最后的太阳,敲锣打鼓吓走食日的天狗;当下则让我们跟陌生人相遇,观赏月亮遮盖太阳的自然景观,将照片传爆朋友圈。对比古今,大家在不同的时空下做着当时最时尚的事。

谈到天文,不能不提霍金(Stephen Hawking)。


理论物理提出“大问题”


近20年来颇迷霍金的书籍。霍金使用浅白的文字来解释爱因斯坦的理论物理,譬如广义相对论(General theory of relativity)中预言黑洞的存在——当巨大的质量被高度压缩时,所产生的引力会把一切物体吸入其中,甚至连光都无法逃脱。这股引力使到时间与空间变形,就像一粒小球落在一块布上,使到布面出现个小凹槽。

每个有质量的物体都有引力,德国科学家卡尔·施瓦西(Karl Schwarzschild)计算出必须以每秒11.2公里的速度才能脱离地球的引力,这就是火箭的速度。由于月球的质量只有地球的1%,离开月球的速度只需每秒2.4公里,这就是将太空人从月球运回来的火箭的速度。换句话说,质量越大则引力越大,逃离的速度必须“极快”,否则就会被摧毁。

施瓦西于40岁时参与第一次世界大战,自愿加入德国陆军,在东线战场上感染了当时无法治愈的天疱疮(pemphigus)病逝。

霍金根据前人奠下的基础,研究黑洞所提出的假设与问号远远超过答案,为我们提供对生命起源与终结的探索空间。

霍金的遗著《Brief Answers to the Big Questions》提出十个大哉问,挑战上帝,挑战未来,书中所提出的理论来自过去的研究档案。霍金的女儿露西·霍金说,将想法集结成书是霍金在地球上的最后一年所做的一个项目,但无法完成这项工作。霍金于2018年逝世后,他的学术同僚、家人和史蒂芬·霍金遗产管理机构合作完成此书。

为什么我们必须问大问题?为什么人类一直想知道这些问题的答案?霍金解释,虽然人类只是自然界中一群基本粒子的集合体,却有能力理解主宰我们的定律,理解我们所处的宇宙,这就是问题的根源。霍金希望不使用方程式来呈现自己所掌握的理论物理,而是以大多数人还可以理解的简单易懂的文字去回答一些问题。


宇宙的初启与结束


天地玄黄,宇宙洪荒,日月盈昃,辰宿列张。

宇宙的起源必须有一个极小的点,称为初始奇点(gravitational singularity),奇点是在数学上无法定义的点,比如说1/x,x几乎等于0的那个点就是奇点,虽然奇点无穷小,但1/0的数值却无穷大。

宇宙大爆炸(big bang)的理论意味着浩瀚的宇宙的起源,或许是一个小得不能再小的点,时间与空间就是从这初始奇点开始演化,向四面八方膨胀至无穷大。

谁是时间和空间的终结者?答案是黑洞。因为进入黑洞等于回到奇点。在这个小得不能再小,体积几乎等于零的奇点内,万物等于在空间上化为乌有,时间也停止了。


黑洞确实存在


理论上黑洞已经存活了100多亿年,但是实际上黑洞存在吗?

2019年4月10日(新加坡时间),霍金去世一年后,全球多地天文学家同步公布人类史上首张黑洞的容貌。

人类拍到的这个黑洞,位于室女座(处女座Virgo)一个超大质量星系——M87的中心,距离地球5500万光年。我们所处的银河系也是室女座星系团的一员。


(这是人类史上首张黑洞照片。图片来源:事件视界望远镜项目组)

观测 M87 就像是“在地球上观察月球表面的一颗橘子”,必须启动四大洲的八台射电望远镜(radio telescope),形成一台虚拟口径和地球一样大的“事件视界望远镜”(EHT)。这些望远镜有的位于南极点,有的位于夏威夷,有的位于西班牙。


(射电望远镜的位置:绿点为望远镜当前位置,紫点为未来位置,蓝点为过去位置。图片来源:EHT)

为了使八个望远镜能同时观测到目标黑洞,必须保证这八个地点的天气状况全都良好,而且面对黑洞,一年中可以用于拍摄的窗口只剩下大约十天(拍摄 M87 时为2017年4月)。十天里,EHT 累积了 5PB(1PB=1024TB)的数据量,各个观测点把硬盘运往美国麻省理工学院和德国波恩的马普射电天文研究所(The Max Planck Institute for Radio Astronomy),由超级电脑进行处理。


(生成黑洞图片的流程。图片来源:美国国家科学基金会。)


黑洞的特性


黑洞就像是掌控人的命运背后的黑手,确确实实地出现在我们的生活中,但我们却视而不见。

根据霍金的理论,宇宙中的黑洞不止一个(目前天文学家确定的黑洞有 20 多个),黑洞与黑洞间会互相碰撞合并。

黑洞的质量非常大,也会像天体一样辐射。由于引力跟质量一样大,因此周围的物质都被吸入黑洞。

黑洞有大有小,所谓大小所指的是质量和密度,它们的体积都很小。比如所拍到的M87黑洞,质量是太阳的65亿倍,属于超大质量黑洞,体积却小到内部几乎没有空隙。

人越接近小黑洞就越变形,身体被压缩成扁长,好像面条一样,已经不是原来的模样,进入黑洞以后就几乎出不来了。

至于进入很大的黑洞,人是没有感觉的,但在黑洞外面的世界来看,人已经消失不见,仿佛在人间蒸发一样。

黑洞容纳许多资讯,但是这些掉入黑洞的资讯却消失无踪。

黑洞有些逆时钟方向的小粒子,偶尔会逃出来,但比率很低。


黑洞扭曲时空


黑洞的存在,完全干扰正常习作。黑洞制造时空变化,扭曲时空。

关于扭曲时空的现象,不妨想像自己身处平坦广阔的大沙漠,这片无垠的沙漠就像一个平面,其他一切都不存在。人站在那里,时空是固定的,不论往哪个方向看,地平线以内的景色都一样,没有不同。

如果在视线范围内出现一座山,一棵树,一湖水或一片绿洲,时空就会出现变化,不同的方向会出现不同的景观。不过在离沙漠很远的地平线,我们会感觉到沙漠渐渐平缓,时空曲面看起来又显得非常平坦了。实际上,在极远处地平线以外的山水树木依然存在着,不会因我们看不见而消失。因此可以这么说,我们生活在一个弯曲的空间,空间并非平坦的,时间也是弯曲的。时空(时间与空间)老是纠缠不清地捆绑在一起。


黑洞与社会现实


越往黑洞的理论去联想,越发觉黑洞可以简易地拟人化,人类社会跟黑洞理论是不谋而合的。黑洞在人类社会无处不在,这个组织可以是黑手党,私会党,公司企业,也可以是国家,政府或恐怖组织,它的体积跟全人类相比很小,但势力超强大。

不识庐山真面目,只缘身在此山中。当我们习惯在某个就像黑洞般的政治体系下生活,就不会觉得这个体系是扭曲的。当我们习惯在某种势力下过活,也不会想到这样的日子有多不好,因为已经被洗脑下,我们会下意识地认为人生与命运本来就是如此。当我们掉入某种黑势力,就只好一辈子在那个漩涡里打转,不用设想能够逃离手掌心活着出来。或许我们也没想过离开,甚至因为觉得它的好而协助它发挥辐射能量,吸引更多人陷入这股巨大的势力中。

这股强大的势力不只是控制着我们的思维、躯体与生活,它使到我们变成压缩后的面条,丧失原有的人性与自我。这股势力也掌握着一切资讯,拥有资讯就拥有控制权,能够选择性地释放一些处理过的讯息,就像大沙漠里出现一棵树,那棵树就是刻意让人看得见的处理过的讯息,但内容未必是真的。正确的资讯藏在沙粒里,可惜我们无法读懂沙粒。

若想找回自我,唯一的出路就是逆转,跟这股势力渐行渐远,走到沙漠的尽头,就像偶尔能逃出黑洞的逆时钟方向的小粒子。这些成功逃离黑洞的漏网之鱼有些噤若寒蝉,找个桃花源隐姓埋名,有些则冒着生命的危险,让更多人知道这股黑洞般的势力的存在,揭开一丁点秘密。


生命的意义


人的生命好比小粒子,人在浩瀚宇宙扮演什么角色?霍金有个接近终极的解读:“在这整整137亿年的宇宙历史长河中,“现实”都是存在于我们思维中的一个模型。这种关系对于我们寻找生命的意义来说,又是意味着什么呢?…我个人比较倾向于认为,我们每个人都在赋予这个宇宙意义。…正因为如此,生命的意义并不存在于什么别的地方,而就在我们的脑海心头。”

我是谁?我从哪里来?我往哪里去?古人察月观星,理论物理窥探天地的秘密,您愿意将深夜的一点时间留给自己,遥望天上的星星,就像腾出一点时间看日环食吗?

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