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相對論和量子力學 23 00:00:43,793 --> 00:00:45,045 在黑洞的的碰撞 24 00:00:45,045 --> 00:00:46,880 將揭露宇宙的結局 25 00:00:46,880 --> 00:00:48,465 要了解整個宇宙 26 00:00:48,465 --> 00:00:50,091 我先問一個簡單的問題 27 00:00:50,091 --> 00:00:52,469 氫氣跟氧氣結合變成水 28 00:00:52,469 --> 00:00:54,054 化學式前後的反應物 29 00:00:54,054 --> 00:00:56,097 跟生成物哪個重 ？ 30 00:00:56,097 --> 00:00:57,057 你可能會想 31 00:00:57,057 --> 00:00:58,224 這國中就有教了 32 00:00:58,224 --> 00:01:00,477 化學反應遵守質量守恆嘛 33 00:01:00,477 --> 00:01:01,728 當然是一樣重 34 00:01:01,936 --> 00:01:03,063 No No No No No 35 00:01:03,063 --> 00:01:03,897 嚴格來說 36 00:01:03,897 --> 00:01:06,274 在氫加氧生成水的這個反應式中 37 00:01:06,274 --> 00:01:08,777 生成物會比反應物更輕喔 38 00:01:08,818 --> 00:01:09,736 為什麼呢 39 00:01:09,736 --> 00:01:11,738 因為這可是有愛因斯坦的理論 40 00:01:11,738 --> 00:01:14,115 狹義相對論掛保證的 41 00:01:18,995 --> 00:01:20,205 還以為量子科技 42 00:01:20,205 --> 00:01:21,289 離我們很遠嗎 43 00:01:21,289 --> 00:01:22,749 量子力學已經發展出 44 00:01:22,749 --> 00:01:24,417 影響日常生活的半導體 45 00:01:24,417 --> 00:01:26,211 網路科技和通訊工具 46 00:01:26,211 --> 00:01:28,797 GPS 、 核能 、 太陽能 、 磁浮列車 47 00:01:28,797 --> 00:01:30,632 雷射手術 、 醫學影像...等等 48 00:01:30,632 --> 00:01:32,801 還有眾所期待的量子電腦 49 00:01:32,801 --> 00:01:35,762 世界正為未來的量子資訊科學做準備 50 00:01:35,762 --> 00:01:37,514 你又打算如何加入呢 51 00:01:37,514 --> 00:01:39,974 趕快上 QuBear 量子熊微學習平台 52 00:01:39,974 --> 00:01:41,643 一起來 Quantum PAY 一下吧 53 00:01:45,647 --> 00:01:47,315 想像你坐在飛機上 54 00:01:47,315 --> 00:01:48,149 閒來無事 55 00:01:48,149 --> 00:01:49,984 安靜地睡覺或看書 56 00:01:49,984 --> 00:01:52,362 對你和飛機上的其他乘客而言 57 00:01:52,362 --> 00:01:53,738 你一直待在原位 58 00:01:53,738 --> 00:01:54,989 但是對地面上 59 00:01:54,989 --> 00:01:57,408 看著飛機從天空飛過的人來說 60 00:01:57,408 --> 00:01:59,953 你其實隨著飛機一起移動了位置 61 00:01:59,953 --> 00:02:01,496 處於運動狀態 62 00:02:01,496 --> 00:02:02,163 換言之 63 00:02:02,163 --> 00:02:05,708 位移 、 靜止和運動是相對的概念 64 00:02:05,708 --> 00:02:07,293 端看你跟誰比較 65 00:02:07,293 --> 00:02:08,211 不僅如此 66 00:02:08,211 --> 00:02:10,547 要是飛機的行進非常平穩 67 00:02:10,547 --> 00:02:12,048 若沒有引擎的轟隆聲 68 00:02:12,048 --> 00:02:13,508 機身的微小震動 69 00:02:13,508 --> 00:02:15,093 或窗外風景的變化 70 00:02:15,093 --> 00:02:17,637 你可能難以分辨飛機到底是靜止的 71 00:02:17,637 --> 00:02:18,805 還是在運動中 72 00:02:18,805 --> 00:02:21,224 早在十七世紀大科學家伽利略 73 00:02:21,224 --> 00:02:22,642 就提出了上述概念 74 00:02:22,851 --> 00:02:24,227 再深入一點講 75 00:02:24,227 --> 00:02:26,855 通常當我們講到飛機的飛行速度時 76 00:02:26,855 --> 00:02:30,316 其實已經預設了某個靜止不動的參考系 77 00:02:30,316 --> 00:02:31,526 那就是地面 78 00:02:31,526 --> 00:02:33,528 儘管飛機對地面上的人 79 00:02:33,528 --> 00:02:35,196 時速可能是 900 公里 80 00:02:35,196 --> 00:02:36,865 但當我們轉換參考系 81 00:02:36,865 --> 00:02:39,200 以飛機上乘客的角度來看 82 00:02:39,200 --> 00:02:42,287 相對而言飛機幾乎可說是靜止的 83 00:02:42,287 --> 00:02:44,706 當我們測量任意物體的移動速度時 84 00:02:44,706 --> 00:02:46,124 隨著參考系的不同 85 00:02:46,124 --> 00:02:47,375 測量到的數值 86 00:02:47,375 --> 00:02:49,169 自然也有可能有所不同 87 00:02:49,169 --> 00:02:50,336 到目前為止 88 00:02:50,336 --> 00:02:52,172 事情直觀而且很好理解 89 00:02:52,172 --> 00:02:52,881 對吧 90 00:02:52,881 --> 00:02:54,382 然而到了十九世紀末 91 00:02:54,382 --> 00:02:57,260 某個實驗卻又為事情帶來了新的發展 92 00:02:57,260 --> 00:02:58,595 那就是 1887 年 93 00:02:58,595 --> 00:03:00,180 由物理學家邁克生（ Albert Michelson ） 94 00:03:00,180 --> 00:03:02,432 和莫立（ Edward Morley ）進行的光速實驗 95 00:03:02,432 --> 00:03:04,601 如同水波需要靠水傳遞 96 00:03:04,601 --> 00:03:06,561 聲波靠空氣傳遞 97 00:03:06,561 --> 00:03:08,062 當時的人認為 98 00:03:08,062 --> 00:03:09,731 光 ， 也就是電磁波 99 00:03:09,731 --> 00:03:12,650 是藉由一種稱為 「以太」 的物質來傳遞 100 00:03:12,650 --> 00:03:13,860 以太沒有質量 101 00:03:13,860 --> 00:03:15,111 充滿整個宇宙 102 00:03:15,111 --> 00:03:17,739 當太陽帶著地球在宇宙中運行 103 00:03:17,739 --> 00:03:20,074 會感覺到以太流動形成的風 104 00:03:20,074 --> 00:03:21,451 這就跟我們跑步時 105 00:03:21,451 --> 00:03:24,120 會感受到身邊空氣流動所產生的風一樣 106 00:03:24,120 --> 00:03:27,749 所以如果我們去測量光在以太中傳播的速度 107 00:03:27,749 --> 00:03:29,584 隨著測量方向的變化 108 00:03:29,584 --> 00:03:32,045 順著以太風或是逆風等 109 00:03:32,045 --> 00:03:34,214 就會影響到光速的數值 110 00:03:34,214 --> 00:03:36,090 這就類似我們在河岸邊 111 00:03:36,090 --> 00:03:38,384 觀察魚逆流而上或順流而下 112 00:03:38,384 --> 00:03:40,470 會發現魚的游速有所不同 113 00:03:40,470 --> 00:03:44,182 然而邁克生和莫立不管怎麼換方向測 114 00:03:44,182 --> 00:03:46,267 都發現不到光隨著以太流動 115 00:03:46,267 --> 00:03:48,228 而產生的速度變化 116 00:03:48,228 --> 00:03:50,104 這件事就這麼懸而未決 117 00:03:50,104 --> 00:03:52,440 直到 「那位科學家」 的出現 118 00:03:52,440 --> 00:03:53,900 對 ， 就是那位 119 00:03:58,529 --> 00:04:00,949 1905 年愛因斯坦發表了四篇 120 00:04:00,949 --> 00:04:03,117 超超超重量級的論文 121 00:04:03,117 --> 00:04:06,287 其中一篇是讓他後來得到諾貝爾物理獎的 122 00:04:06,287 --> 00:04:07,664 光電效應論文 123 00:04:07,664 --> 00:04:10,208 有興趣的觀眾可以去看我們之前的影片喔 124 00:04:10,208 --> 00:04:12,293 第二篇論文是布朗運動 125 00:04:12,293 --> 00:04:14,796 用分子的碰撞解釋水中的花粉 126 00:04:14,796 --> 00:04:17,966 迸裂出的微粒為何會不斷不規則運動 127 00:04:17,966 --> 00:04:20,051 間接證實了 「分子」 的存在 128 00:04:20,051 --> 00:04:23,346 另外兩篇就是我們現在討論的主題 129 00:04:23,346 --> 00:04:24,389 狹義相對論 130 00:04:24,472 --> 00:04:27,308 愛因斯坦根據先前其他科學家的研究 131 00:04:27,308 --> 00:04:29,143 再加上自己獨到的見解 132 00:04:29,143 --> 00:04:31,813 在論文裡提出兩個基本假設 133 00:04:31,813 --> 00:04:34,482 「光速恆定」 和 「相對性原理」 134 00:04:34,482 --> 00:04:36,150 只要從這兩個假設出發 135 00:04:36,150 --> 00:04:38,069 就能推導出狹義相對論裡 136 00:04:38,069 --> 00:04:40,238 許多不可思議的結論 137 00:04:40,488 --> 00:04:41,781 讓人直呼哩西咧供尛 138 00:04:41,781 --> 00:04:44,242 首先光速恆定指的是 139 00:04:44,242 --> 00:04:46,035 對所有觀察者來說 140 00:04:46,035 --> 00:04:47,745 不管他們處在什麼參考系 141 00:04:47,745 --> 00:04:49,122 光速都是一樣的 142 00:04:49,122 --> 00:04:50,915 所以不管你怎麼測 143 00:04:50,915 --> 00:04:53,501 都絕對測不到光隨著以太流動 144 00:04:53,501 --> 00:04:54,961 而產生的速度變化 145 00:04:54,961 --> 00:04:56,713 相對性原理則是說 146 00:04:56,713 --> 00:04:58,881 在所有的慣性參考系中 147 00:04:58,881 --> 00:05:02,385 也就是不管你用任意速度等速移動 148 00:05:02,385 --> 00:05:03,511 包括靜止 149 00:05:03,511 --> 00:05:05,346 物理法則都會長一樣 150 00:05:05,596 --> 00:05:08,391 這表示你在等速行進的高鐵車廂內 151 00:05:08,391 --> 00:05:10,018 往上拋一顆球 152 00:05:10,018 --> 00:05:12,687 會跟你在地面上靜止時拋一顆球 153 00:05:12,687 --> 00:05:14,355 得到同樣的結果 154 00:05:14,355 --> 00:05:17,525 就是球在被拋到上方後又落下 155 00:05:17,525 --> 00:05:18,443 回到你手上 156 00:05:18,443 --> 00:05:20,778 要是愛因斯坦在狹義相對論裡 157 00:05:20,778 --> 00:05:22,155 做出的假設是對的 158 00:05:22,155 --> 00:05:23,906 那麼原本被假想出來 159 00:05:23,906 --> 00:05:26,159 擔任光的傳播介質的以太 160 00:05:26,159 --> 00:05:27,827 就毫無存在的必要 161 00:05:27,827 --> 00:05:30,204 邁克生 - 莫立實驗造成的疑惑 162 00:05:30,204 --> 00:05:31,205 也就解決了 163 00:05:31,205 --> 00:05:34,083 到了現代科學家已經不認為以太存在 164 00:05:34,083 --> 00:05:36,753 因此若你看到市面上販售 165 00:05:36,753 --> 00:05:38,921 聲稱具有以太能量的商品 166 00:05:38,921 --> 00:05:41,382 基本上都跟目前科學界的看法抵觸 167 00:05:41,382 --> 00:05:43,343 聽到這你可能會覺得奇怪 168 00:05:43,343 --> 00:05:44,552 這不對呀 169 00:05:44,552 --> 00:05:46,679 假設我們在行進的火車上 170 00:05:46,679 --> 00:05:48,973 朝前方射出一顆子彈 171 00:05:48,973 --> 00:05:51,893 那麼地面上的人去測量這顆子彈的速度 172 00:05:51,893 --> 00:05:53,394 應該就會發現 173 00:05:53,394 --> 00:05:54,479 測量到的數值 174 00:05:54,479 --> 00:05:56,397 會是子彈原本的速度 175 00:05:56,397 --> 00:05:58,649 加上火車行進的速度 176 00:05:58,649 --> 00:06:00,693 所以當我們在行進的火車上 177 00:06:00,693 --> 00:06:03,112 朝前方射出一道光束 178 00:06:03,112 --> 00:06:05,198 那麼地面上的人去測量這道光 179 00:06:05,198 --> 00:06:08,242 不就會發現光速多了火車的速度嗎 180 00:06:08,242 --> 00:06:09,911 哪有可能如愛因斯坦所說 181 00:06:09,911 --> 00:06:11,245 光速恆定呢 182 00:06:11,245 --> 00:06:12,330 這是因為 183 00:06:12,330 --> 00:06:13,664 速度的快慢 184 00:06:13,664 --> 00:06:14,749 或說速率 185 00:06:14,749 --> 00:06:16,376 是由物體在一定時間內 186 00:06:16,376 --> 00:06:18,795 移動了多少空間距離來決定 187 00:06:18,795 --> 00:06:21,631 所以若是時間和空間 188 00:06:21,631 --> 00:06:24,384 可以一種獨特的方式進行協調 189 00:06:24,384 --> 00:06:26,552 就能夠保證光速維持恆定 190 00:06:26,552 --> 00:06:28,805 換句話說時間和空間 191 00:06:28,805 --> 00:06:30,640 可能會隨著參考系的不同 192 00:06:30,640 --> 00:06:31,766 而發生變化 193 00:06:31,766 --> 00:06:34,102 上述愛因斯坦關於時空的觀點 194 00:06:34,102 --> 00:06:35,561 對當時的學界而言 195 00:06:35,561 --> 00:06:37,063 是很大的突破 196 00:06:37,063 --> 00:06:39,607 以往人們依循著牛頓的看法 197 00:06:39,607 --> 00:06:41,943 認為時間和空間是絕對的 198 00:06:41,943 --> 00:06:43,319 不因參考系而變 199 00:06:43,319 --> 00:06:44,987 不管處在什麼參考系 200 00:06:44,987 --> 00:06:46,114 時間的流動快慢 201 00:06:46,114 --> 00:06:47,865 和空間距離的長短 202 00:06:47,865 --> 00:06:50,118 對所有人來說都是一樣的 203 00:06:50,118 --> 00:06:51,828 但在狹義相對論裡 204 00:06:51,828 --> 00:06:53,162 就不是這樣子了 205 00:06:53,162 --> 00:06:54,997 接下來重頭戲來了 206 00:06:59,585 --> 00:07:01,129 在狹義相對論下 207 00:07:01,129 --> 00:07:02,630 當你移動得越快 208 00:07:02,630 --> 00:07:05,508 其他人就會發現你的時間流逝得越慢 209 00:07:05,508 --> 00:07:07,301 稱為時間膨脹 （ time dilation ） 210 00:07:07,301 --> 00:07:09,053 另一方面移動中的物體 211 00:07:09,053 --> 00:07:11,431 沿著移動方向的長度會縮短 212 00:07:11,431 --> 00:07:12,974 稱為長度收縮 （ length contraction ） 213 00:07:13,141 --> 00:07:15,017 讓我們把腦洞打開到極限 214 00:07:15,017 --> 00:07:16,227 來個思想實驗 215 00:07:16,227 --> 00:07:17,728 我們銀河系的鄰居 216 00:07:17,728 --> 00:07:18,896 仙女座星系（ Andromeda Galaxy ） 217 00:07:18,896 --> 00:07:20,898 位於二百五十萬光年之外 218 00:07:20,898 --> 00:07:25,486 要是我們能以 99.99999999% 219 00:07:25,486 --> 00:07:26,571 的光速前進 220 00:07:26,571 --> 00:07:28,698 只要數十年就能抵達了 221 00:07:28,698 --> 00:07:30,408 但對地球上的人來說 222 00:07:30,408 --> 00:07:32,160 卻會是過了二百五十萬年 223 00:07:32,160 --> 00:07:33,327 這是因為 224 00:07:33,327 --> 00:07:36,622 當我們極端接近光速在宇宙空間中航行 225 00:07:36,622 --> 00:07:38,875 相較於留在地球上的人而言 226 00:07:38,875 --> 00:07:41,669 我們的時間流逝要慢上非常多 227 00:07:41,669 --> 00:07:44,797 所以儘管地球已經過了二百五十萬年 228 00:07:44,797 --> 00:07:48,009 但太空船上的我們卻只老了數十歲 229 00:07:48,009 --> 00:07:48,926 可是 230 00:07:48,926 --> 00:07:50,720 這樣我們不就超越光速了嗎 231 00:07:50,720 --> 00:07:52,013 畢竟花幾十年 232 00:07:52,013 --> 00:07:54,307 就走了二百五十萬光年的距離啊 233 00:07:54,307 --> 00:07:55,433 答案是 234 00:07:55,433 --> 00:07:56,350 並沒有 235 00:07:56,350 --> 00:07:57,351 因為對我們來說 236 00:07:57,351 --> 00:08:00,897 會覺得整個宇宙空間相較於我們在高速移動 237 00:08:00,897 --> 00:08:02,899 而因為長度收縮效應 238 00:08:02,899 --> 00:08:05,568 所以從地球到仙女座星系的距離 239 00:08:05,568 --> 00:08:07,987 縮短成只有數十光年而已 240 00:08:07,987 --> 00:08:09,655 而在地球上的觀察者 241 00:08:09,655 --> 00:08:12,158 一樣會看到我們花了二百五十萬年 242 00:08:12,158 --> 00:08:13,826 才抵達仙女座星系 243 00:08:13,826 --> 00:08:14,869 如此一來 244 00:08:14,869 --> 00:08:16,204 不管是地球上的人 245 00:08:16,204 --> 00:08:17,788 還是太空船中的我們 246 00:08:17,788 --> 00:08:19,499 儘管雙方的經歷不同 247 00:08:19,499 --> 00:08:22,251 但最終還是會觀察到同一個結果 248 00:08:22,251 --> 00:08:24,462 就是我們成功抵達目標 249 00:08:24,462 --> 00:08:25,379 沒有矛盾 250 00:08:25,379 --> 00:08:27,340 除了前面提到的時間膨脹 251 00:08:27,340 --> 00:08:28,674 和長度收縮之外 252 00:08:28,674 --> 00:08:31,761 狹義相對論還給出其他神奇的結論 253 00:08:31,761 --> 00:08:34,222 像是 「 同時的相對性 」 254 00:08:34,222 --> 00:08:34,889 簡單來說 255 00:08:34,889 --> 00:08:39,227 在空間中不同位置的兩個事件是否同時發生 256 00:08:39,227 --> 00:08:41,020 在不同的參考系下 257 00:08:41,020 --> 00:08:42,730 可能會有不同的答案 258 00:08:42,730 --> 00:08:44,357 在某些參考系中 259 00:08:44,357 --> 00:08:46,692 兩件事可能是同時發生 260 00:08:46,692 --> 00:08:48,486 但在另一些參考系下 261 00:08:48,486 --> 00:08:50,905 兩件事可能不是同時發生 262 00:08:50,905 --> 00:08:54,116 例如在車廂兩邊同時各打開一盞燈 263 00:08:54,116 --> 00:08:57,662 車廂中間的人會發現燈光同時抵達自己身上 264 00:08:57,662 --> 00:08:59,205 但對於站在車廂外 265 00:08:59,205 --> 00:09:02,083 與車廂存在某個相對速度的觀察者來說 266 00:09:02,083 --> 00:09:04,669 會發現兩盞燈不是同時打開 267 00:09:04,669 --> 00:09:06,504 這就是同時的相對性 268 00:09:06,504 --> 00:09:08,381 此外愛因斯坦著名的 269 00:09:08,381 --> 00:09:09,715 質能等價 （ mass-energy equivalence ） 公式 270 00:09:09,715 --> 00:09:11,050 E = mc² 271 00:09:11,050 --> 00:09:12,593 也來自狹義相對論 272 00:09:12,593 --> 00:09:13,970 這個公式告訴我們 273 00:09:13,970 --> 00:09:15,596 物體的質量本身 274 00:09:15,596 --> 00:09:16,847 就是一種能量 275 00:09:16,847 --> 00:09:20,184 反過來說能量也可視為一種質量 276 00:09:20,184 --> 00:09:21,269 而這個公式 277 00:09:21,269 --> 00:09:23,271 也直接導致了後續原子彈 278 00:09:23,271 --> 00:09:25,189 和核能發電等科技的發明 279 00:09:25,189 --> 00:09:25,982 不僅如此 280 00:09:25,982 --> 00:09:27,316 根據狹義相對論 281 00:09:27,316 --> 00:09:30,111 若要把具有質量的物體加速到光速 282 00:09:30,111 --> 00:09:32,113 將需要無限大的能量 283 00:09:32,113 --> 00:09:33,823 即使只是一顆電子 284 00:09:33,823 --> 00:09:36,492 反過來說能以光速行進的粒子 285 00:09:36,492 --> 00:09:37,451 如光子 286 00:09:37,451 --> 00:09:39,704 它們的靜止質量則必須為零 287 00:09:39,787 --> 00:09:40,580 換句話說 288 00:09:40,580 --> 00:09:44,458 光速就是任何資訊或物質傳播的速度上限了 289 00:09:44,458 --> 00:09:47,044 所以以後要是看到什麼超光速粒子能量水 290 00:09:47,044 --> 00:09:48,963 或超光速粒子相關商品 291 00:09:48,963 --> 00:09:50,172 千萬別下單 292 00:09:50,172 --> 00:09:52,425 愛因斯坦可不提供客訴跟退貨啊 293 00:09:52,633 --> 00:09:54,844 最後回到我們一開頭的問題 294 00:09:54,844 --> 00:09:58,681 為什麼氫和氧進行化學反應生成水之後 295 00:09:58,681 --> 00:10:00,016 重量會變輕呢 296 00:10:00,016 --> 00:10:02,768 因為呢這個化學式屬於放熱反應 297 00:10:02,768 --> 00:10:05,479 在過程中會有一些能量被釋放出來 298 00:10:05,479 --> 00:10:07,481 而根據質能等價公式 299 00:10:07,481 --> 00:10:10,109 既然反應後有部分能量跑掉了 300 00:10:10,109 --> 00:10:12,320 那麼剩下的生成物也就是水 301 00:10:12,320 --> 00:10:13,654 質量會比較少 302 00:10:13,654 --> 00:10:15,489 自然也就會比較輕囉 303 00:10:15,489 --> 00:10:18,326 只不過重量差距會非常地微小 304 00:10:18,326 --> 00:10:19,827 基本上是測不出來的 305 00:10:19,827 --> 00:10:21,829 但這差距確實存在 306 00:10:21,829 --> 00:10:22,622 在這一集 307 00:10:22,622 --> 00:10:24,749 我們介紹了愛因斯坦的狹義相對論 308 00:10:24,749 --> 00:10:26,542 以及它帶來的重要結論 309 00:10:26,542 --> 00:10:27,793 但因為時間的關係 310 00:10:27,793 --> 00:10:30,713 沒能仔細說明那些結論是怎麼得來的 311 00:10:30,713 --> 00:10:31,922 如果有興趣知道 312 00:10:31,922 --> 00:10:33,299 歡迎留言告訴我們 313 00:10:33,299 --> 00:10:35,384 我們之後再另拍影片說明 314 00:10:35,384 --> 00:10:37,094 但除了狹義相對論之外 315 00:10:37,094 --> 00:10:40,097 愛因斯坦還提出了知名的廣義相對論 316 00:10:40,097 --> 00:10:41,182 而這兩個理論 317 00:10:41,182 --> 00:10:42,892 對於近代的物理學研究 318 00:10:42,892 --> 00:10:44,477 就像是派對的邀請函 319 00:10:44,477 --> 00:10:46,979 讓我們得以一窺宇宙如何演化 320 00:10:46,979 --> 00:10:48,856 或黑洞為何存在 321 00:10:48,856 --> 00:10:49,440 什麼 322 00:10:49,440 --> 00:10:50,608 不說還真不知道 323 00:10:50,608 --> 00:10:52,026 原來早在 1971 年 324 00:10:52,026 --> 00:10:53,194 就有人發明了一部 325 00:10:53,194 --> 00:10:55,780 宣稱可以人為產生重力場的裝置 326 00:10:55,780 --> 00:10:57,615 「 動力質量場產生器 」 （ kinemassic field generator ） 327 00:10:57,615 --> 00:10:59,408 還成功申請到美國專利 328 00:10:59,408 --> 00:11:01,702 第 3626605 號喔 329 00:11:01,702 --> 00:11:03,454 既然如此 ， 還搞什麼火箭 330 00:11:03,454 --> 00:11:06,415 為什麼不讓星艦靠人工重力場升空就好了 331 00:11:06,415 --> 00:11:07,083 欸 ... 332 00:11:07,083 --> 00:11:09,168 我們都知道照現在人類的科技力 333 00:11:09,168 --> 00:11:11,379 顯然還無法做出人工重力 334 00:11:11,379 --> 00:11:12,004 只不過 335 00:11:12,004 --> 00:11:13,756 人為產生重力這種事 336 00:11:13,756 --> 00:11:15,424 真的無法成真嗎 337 00:11:15,424 --> 00:11:16,759 要討論這個話題 338 00:11:16,759 --> 00:11:18,302 我們就必須先來瞭解 339 00:11:18,302 --> 00:11:19,970 重力是怎麼一回事 340 00:11:23,724 --> 00:11:25,101 重力是什麼 341 00:11:25,101 --> 00:11:25,935 在科幻小說 342 00:11:25,935 --> 00:11:27,144 或動漫 、 電玩裡 343 00:11:27,144 --> 00:11:30,106 操縱或抵抗重力是常見的題材 344 00:11:30,106 --> 00:11:31,524 在神話故事中 345 00:11:31,524 --> 00:11:33,859 人類就已夢想著騰雲駕霧 346 00:11:33,859 --> 00:11:36,320 或者能夠打造翅膀飛上青天 347 00:11:36,320 --> 00:11:38,114 現代的飛機跟火箭 348 00:11:38,114 --> 00:11:39,949 固然滿足了人類的飛行夢 349 00:11:39,949 --> 00:11:41,450 但飛機與火箭 350 00:11:41,450 --> 00:11:43,160 都是藉由產生新的推力 351 00:11:43,160 --> 00:11:44,620 來抵銷重力的束縛 352 00:11:44,620 --> 00:11:47,248 也因此 ， 從根本上阻絕重力 353 00:11:47,248 --> 00:11:49,875 甚至是創造出反重力的嘗試 354 00:11:49,875 --> 00:11:52,461 在歷史上只能說是方興未艾 355 00:11:52,461 --> 00:11:54,714 科幻小說家 Herbert George Wells 356 00:11:54,714 --> 00:11:56,257 在 1901 年出版的 357 00:11:56,257 --> 00:11:58,092 The First Men in the Moon 中 358 00:11:58,092 --> 00:12:00,177 就描寫了反重力物質 359 00:12:00,177 --> 00:12:03,305 這種物質包覆在主角乘坐的球體周圍 360 00:12:03,305 --> 00:12:06,392 就能使主角脫離重力束縛抵達月球 361 00:12:06,392 --> 00:12:09,478 姑且不論這些夢想有沒有可能成真 362 00:12:09,478 --> 00:12:11,355 到底重力是什麼 363 00:12:11,355 --> 00:12:12,982 它是怎麼產生的呢 364 00:12:12,982 --> 00:12:13,858 在中學的時候 365 00:12:13,858 --> 00:12:16,569 我們都學過牛頓萬有引力定律 366 00:12:16,569 --> 00:12:19,363 兩個物體之間會存在一股吸引力 367 00:12:19,363 --> 00:12:22,825 吸引力的大小正比於兩者質量的乘積 368 00:12:22,825 --> 00:12:25,995 反比於兩者質心距離的平方 369 00:12:25,995 --> 00:12:27,997 G 則為比例常數 370 00:12:27,997 --> 00:12:30,166 俗稱萬有引力常數 371 00:12:30,166 --> 00:12:32,334 但是我們都聽說過 372 00:12:32,334 --> 00:12:33,711 黑洞產生的重力 373 00:12:33,711 --> 00:12:35,504 連光都可以捕獲 374 00:12:35,504 --> 00:12:38,466 只是明明光根本沒有靜止質量 375 00:12:38,466 --> 00:12:39,925 根據牛頓的公式 376 00:12:39,925 --> 00:12:42,845 光怎麼可能會受到重力吸引呢 377 00:12:42,845 --> 00:12:43,721 這個時候 378 00:12:43,721 --> 00:12:46,098 那個男人又又又出現了 379 00:12:46,098 --> 00:12:47,767 對 ， 就是愛因斯坦 380 00:12:47,767 --> 00:12:50,352 1915 年廣義相對論誕生後 381 00:12:50,352 --> 00:12:53,856 看待重力有了一個截然不同的全新觀點 382 00:12:53,856 --> 00:12:54,982 愛因斯坦認為 383 00:12:54,982 --> 00:12:57,151 具有質量和能量的物體 384 00:12:57,151 --> 00:12:58,736 會對時空產生影響 385 00:12:58,736 --> 00:13:00,446 造成時空扭曲 386 00:13:00,446 --> 00:13:02,239 就像放在跳床上的鉛球 387 00:13:02,239 --> 00:13:03,991 讓床面下陷一樣 388 00:13:03,991 --> 00:13:05,451 而附近的另一物體 389 00:13:05,451 --> 00:13:07,828 就會因為感受到時空的凹陷 390 00:13:07,828 --> 00:13:08,996 而被吸引過去 391 00:13:08,996 --> 00:13:11,916 在廣義相對論對重力的詮釋之下 392 00:13:11,916 --> 00:13:13,626 光在時空中行進 393 00:13:13,626 --> 00:13:15,586 就像走在地面上的汽車 394 00:13:15,586 --> 00:13:18,714 難免會受到路面坑洞或斜坡影響 395 00:13:18,714 --> 00:13:20,549 而產生路徑的變化 396 00:13:20,549 --> 00:13:23,719 變化的程度則取決於重力場的強弱 397 00:13:23,719 --> 00:13:27,348 於是當光線通過大質量星體的附近時 398 00:13:27,348 --> 00:13:29,308 就會像通過透鏡一樣 399 00:13:29,308 --> 00:13:31,435 發生明顯的路徑彎曲 400 00:13:31,435 --> 00:13:33,187 稱為重力透鏡效應 401 00:13:33,187 --> 00:13:36,232 而當星體的重力場強大到某個程度 402 00:13:36,232 --> 00:13:39,401 周遭的時空結構扭曲到一個極致時 403 00:13:39,401 --> 00:13:41,320 光就再也離不開了 404 00:13:41,320 --> 00:13:42,571 這就是黑洞 405 00:13:42,571 --> 00:13:44,281 事實上 ， 廣義相對論 406 00:13:44,281 --> 00:13:46,325 一開始能被學術圈認可 407 00:13:46,325 --> 00:13:47,159 原因之一 408 00:13:47,159 --> 00:13:49,662 就是由英國的科學家愛丁頓爵士 409 00:13:49,662 --> 00:13:50,913 他率領的團隊 410 00:13:50,913 --> 00:13:53,249 趁日全食所觀測到的證據 411 00:13:53,249 --> 00:13:55,918 他發現星光在太陽附近的偏折 412 00:13:55,918 --> 00:13:57,920 和廣義相對論的預言一致 413 00:13:57,920 --> 00:13:59,922 這使得全球報紙競相報導 414 00:13:59,922 --> 00:14:02,049 也使愛因斯坦名聲大噪 415 00:14:02,049 --> 00:14:03,467 儘管後來發現愛丁頓 416 00:14:03,467 --> 00:14:05,177 當時的數據有些問題 417 00:14:05,177 --> 00:14:07,930 關於這點之後有機會詳細說說 418 00:14:07,930 --> 00:14:10,266 另一方面在水星軌道的進動 419 00:14:10,266 --> 00:14:12,935 也就是水星繞行太陽的近日點 420 00:14:12,935 --> 00:14:15,271 會隨時間緩慢改變的現象上 421 00:14:15,271 --> 00:14:17,273 廣義相對論可以給出 422 00:14:17,273 --> 00:14:20,234 比牛頓萬有引力定律更精確的描述 423 00:14:20,234 --> 00:14:22,361 這些成功讓廣義相對論 424 00:14:22,361 --> 00:14:25,197 成為後來我們理解重力的重要基礎理論 425 00:14:25,197 --> 00:14:27,199 接下來我們會進一步說明 426 00:14:27,199 --> 00:14:29,952 廣義相對論帶來哪些重要的結論 427 00:14:33,956 --> 00:14:36,500 讓我們回想一下自身的經驗吧 428 00:14:36,500 --> 00:14:37,585 當搭乘電梯 429 00:14:37,585 --> 00:14:39,753 而電梯開始往上升的時候 430 00:14:39,753 --> 00:14:43,007 冥冥中似乎有股力量把你往下拉 431 00:14:43,007 --> 00:14:44,758 身體彷彿變重了 432 00:14:44,758 --> 00:14:47,136 換言之電梯上升的加速度 433 00:14:47,136 --> 00:14:50,431 會讓我們覺得像是多了一股向下的重力 434 00:14:50,431 --> 00:14:53,350 加速度可以產生類似重力的功效 435 00:14:53,350 --> 00:14:54,184 這件事情 436 00:14:54,184 --> 00:14:56,061 其實正是廣義相對論裡的 437 00:14:56,061 --> 00:14:57,229 等效原理（ equivalence principle ） 438 00:14:57,229 --> 00:14:58,480 意思是說 439 00:14:58,480 --> 00:14:59,732 在小範圍下 440 00:14:59,732 --> 00:15:01,609 位於重力場內的觀測者 441 00:15:01,609 --> 00:15:03,444 所感受到的物理效應 442 00:15:03,444 --> 00:15:06,614 跟處於均勻加速運動的無重力環境時 443 00:15:06,614 --> 00:15:08,324 所看到的物理效應 444 00:15:08,324 --> 00:15:09,450 沒什麼兩樣 445 00:15:09,450 --> 00:15:12,161 現在讓我們假想兩個情境 446 00:15:12,161 --> 00:15:14,204 一個是在地球表面 447 00:15:14,204 --> 00:15:16,165 另一個則是在宇宙中 448 00:15:16,165 --> 00:15:17,917 以地表的重力加速度 449 00:15:17,917 --> 00:15:21,003 在垂直方向加速行進的太空船裡 450 00:15:21,003 --> 00:15:22,838 等效原理告訴我們 451 00:15:22,838 --> 00:15:24,757 上述兩種情境的實驗結果 452 00:15:24,757 --> 00:15:26,008 應該都是一樣的 453 00:15:26,008 --> 00:15:27,217 下一步 454 00:15:27,217 --> 00:15:28,761 兩個情境下的觀察者 455 00:15:28,761 --> 00:15:31,347 分別從水平方向射出一道光 456 00:15:31,347 --> 00:15:32,806 觀察光線的路徑 457 00:15:32,806 --> 00:15:34,350 既然其中一個觀察者 458 00:15:34,350 --> 00:15:37,436 位在垂直方向加速行進的太空船中 459 00:15:37,436 --> 00:15:38,562 我們可以預期 460 00:15:38,562 --> 00:15:40,606 因為光線會需要短暫時間 461 00:15:40,606 --> 00:15:42,191 以抵達房間的另一頭 462 00:15:42,191 --> 00:15:43,525 而在這段時間內 463 00:15:43,525 --> 00:15:46,403 太空船已經加速前進了一點距離 464 00:15:46,403 --> 00:15:49,281 所以他會看到光線稍微向下偏折 465 00:15:49,281 --> 00:15:51,200 但等效原理告訴我們 466 00:15:51,200 --> 00:15:53,535 在地球表面做同樣的實驗 467 00:15:53,535 --> 00:15:55,579 應該會跟這位太空船內的觀察者 468 00:15:55,579 --> 00:15:57,122 看到一樣的現象 469 00:15:57,122 --> 00:15:59,833 於是只要等效原理是正確的 470 00:15:59,833 --> 00:16:01,460 那麼光線就確實 471 00:16:01,460 --> 00:16:03,879 會因為受到重力場影響而偏折 472 00:16:03,879 --> 00:16:05,130 下一個實驗 473 00:16:05,130 --> 00:16:06,340 同樣的情境 474 00:16:06,340 --> 00:16:09,551 只不過每個情境都有兩位觀察者 475 00:16:09,551 --> 00:16:11,512 一位在房間上方 476 00:16:11,512 --> 00:16:13,222 另一位在下方 477 00:16:13,222 --> 00:16:14,390 下方的觀察者 478 00:16:14,390 --> 00:16:16,475 每隔一秒閃一次燈 479 00:16:16,475 --> 00:16:18,060 位於上方的觀察者 480 00:16:18,060 --> 00:16:20,270 則紀錄下閃燈的間隔時間 481 00:16:20,270 --> 00:16:23,399 既然在宇宙中的太空船正加速行進 482 00:16:23,399 --> 00:16:26,235 那表示太空船的速度是越來越快 483 00:16:26,235 --> 00:16:28,320 這導致下方的觀察者 A 484 00:16:28,320 --> 00:16:29,655 所發出的閃光 485 00:16:29,655 --> 00:16:31,824 每一個都要比前一個閃光 486 00:16:31,824 --> 00:16:35,160 多花一些時間才能抵達上方的觀察者 B 487 00:16:35,160 --> 00:16:37,413 所以呢對下方的 A 來說 488 00:16:37,413 --> 00:16:40,624 儘管每個閃燈的間隔都是一秒無誤 489 00:16:40,624 --> 00:16:43,043 但上方的 B 看到的閃燈間隔 490 00:16:43,043 --> 00:16:46,088 會比手上的錶所顯示的一秒要更長 491 00:16:46,088 --> 00:16:48,132 換言之同樣的事情 492 00:16:48,132 --> 00:16:49,842 A 覺得過了一秒鐘 493 00:16:49,842 --> 00:16:52,136 B 卻會覺得過得比一秒還久了 494 00:16:52,136 --> 00:16:53,303 透過這個實驗 495 00:16:53,303 --> 00:16:56,265 我們會發現 A 和 B 感受到的時間快慢 496 00:16:56,265 --> 00:16:57,558 是不同的 497 00:16:57,558 --> 00:16:59,935 B 會覺得 A 的時間過得比較慢 498 00:16:59,935 --> 00:17:00,978 反過來說 499 00:17:00,978 --> 00:17:03,605 A 則會覺得 B 的時間過得比較快 500 00:17:03,605 --> 00:17:05,149 那麼根據等效原理 501 00:17:05,149 --> 00:17:06,984 在地球上的兩位觀察者 502 00:17:06,984 --> 00:17:09,028 應該也是看到同樣的現象 503 00:17:09,028 --> 00:17:11,030 較為靠近地球表面的觀察者 504 00:17:11,030 --> 00:17:13,115 時間會流逝得比較慢 505 00:17:13,115 --> 00:17:14,908 處於較高處的觀察者 506 00:17:14,908 --> 00:17:16,827 時間會流逝得比較快 507 00:17:16,827 --> 00:17:18,245 在廣義相對論裡 508 00:17:18,245 --> 00:17:19,747 時間的流逝快慢 509 00:17:19,747 --> 00:17:21,790 會因為所處位置的重力環境 510 00:17:21,790 --> 00:17:23,500 而產生不同的變化 511 00:17:23,500 --> 00:17:24,418 這就是為什麼 512 00:17:24,418 --> 00:17:26,211 在 2014 年的知名科幻電影 513 00:17:26,211 --> 00:17:27,379 《 星際效應 （ Interstellar ）》 裡 514 00:17:27,379 --> 00:17:29,048 登陸靠近黑洞的星球 515 00:17:29,048 --> 00:17:30,799 不過 3 個多小時的主角們 516 00:17:30,799 --> 00:17:32,593 在回到遠處的太空站時 517 00:17:32,593 --> 00:17:35,179 會發現同事已經老了 23 歲 518 00:17:35,179 --> 00:17:36,847 最後如果你還記得 519 00:17:36,847 --> 00:17:39,933 在 2016 年有個轟動全球的大新聞 520 00:17:39,933 --> 00:17:42,311 那就是雷射干涉重力波天文台（ LIGO ） 521 00:17:42,311 --> 00:17:43,312 正式宣佈 522 00:17:43,312 --> 00:17:45,439 他們從雙黑洞互相環繞 523 00:17:45,439 --> 00:17:48,233 進而碰撞融合成新黑洞的系統 524 00:17:48,233 --> 00:17:49,943 觀測到重力波的存在 525 00:17:49,943 --> 00:17:50,944 簡單來說 526 00:17:50,944 --> 00:17:52,821 當具備質量和能量的物體 527 00:17:52,821 --> 00:17:54,907 在時空中加速運動時 528 00:17:54,907 --> 00:17:58,327 會像水面上航行的船隻泛起漣漪那般 529 00:17:58,327 --> 00:18:00,871 時空中的重力變化會以光速 530 00:18:00,871 --> 00:18:03,165 類似波的形式向外傳播 531 00:18:03,165 --> 00:18:04,708 這就是重力波 532 00:18:04,708 --> 00:18:07,544 然而因為重力波的效應非常微弱 533 00:18:07,544 --> 00:18:10,714 所以一直要到廣義相對論誕生的一百年後 534 00:18:10,714 --> 00:18:12,674 人類才終於觀測到它 535 00:18:12,674 --> 00:18:14,093 這也是廣義相對論 536 00:18:14,093 --> 00:18:16,929 最後一個被直接證實的重要預測 537 00:18:20,682 --> 00:18:22,267 時間往回推 538 00:18:22,267 --> 00:18:24,186 廣義相對論被提出之後 539 00:18:24,186 --> 00:18:26,438 愛因斯坦本人是滿懷信心 540 00:18:26,438 --> 00:18:29,691 在愛丁頓對日全食的觀測結果出來之前 541 00:18:29,691 --> 00:18:31,860 有學生詢問愛因斯坦 542 00:18:31,860 --> 00:18:34,863 萬一結果顯示廣義相對論是錯的 543 00:18:34,863 --> 00:18:35,823 那該怎麼辦 544 00:18:35,823 --> 00:18:37,950 只見愛因斯坦微笑答道 545 00:18:37,950 --> 00:18:40,119 那我會為親愛的上帝感到遺憾 546 00:18:40,119 --> 00:18:41,870 因為我的理論是正確的 547 00:18:41,870 --> 00:18:42,830 在那之後 548 00:18:42,830 --> 00:18:44,998 廣義相對論中許多令人驚奇 549 00:18:44,998 --> 00:18:46,834 反日常生活經驗的預測 550 00:18:46,834 --> 00:18:48,836 都一一被證實為真 551 00:18:48,836 --> 00:18:52,464 同時它也為我們帶來對於重力的全新觀點 552 00:18:52,464 --> 00:18:55,300 現在廣義相對論已經是所有科學家 553 00:18:55,300 --> 00:18:57,386 理解重力 、 研究宇宙的基石 554 00:18:57,386 --> 00:18:59,221 從宇宙的起源和演化 555 00:18:59,221 --> 00:19:00,556 到黑洞的樣貌等 556 00:19:00,556 --> 00:19:02,266 無一不是靠廣義相對論 557 00:19:02,266 --> 00:19:05,185 在現實中我們日常生活常用的 GPS 558 00:19:05,185 --> 00:19:06,895 也放入了廣義相對論 559 00:19:06,895 --> 00:19:08,438 和狹義相對論的修正 560 00:19:08,438 --> 00:19:09,731 才能準確定位 561 00:19:09,731 --> 00:19:11,400 但另一方面 562 00:19:11,400 --> 00:19:13,152 它還是有所不足 563 00:19:13,152 --> 00:19:14,820 廣義相對論最大的問題 564 00:19:14,820 --> 00:19:17,990 就是並沒有把量子效應考慮進去 565 00:19:17,990 --> 00:19:18,824 直到現在 566 00:19:18,824 --> 00:19:20,409 科學家都還在努力建構 567 00:19:20,409 --> 00:19:23,787 能夠統合量子力學和廣義相對論的理論 568 00:19:23,787 --> 00:19:26,248 那就是量子重力理論 569 00:19:26,248 --> 00:19:28,750 但距離成功似乎還有段距離 570 00:19:28,750 --> 00:19:30,002 也因為如此 571 00:19:30,002 --> 00:19:31,461 當我們要研究 572 00:19:31,461 --> 00:19:34,089 一些量子效應非常重要的情境時 573 00:19:34,089 --> 00:19:36,008 像是宇宙誕生的極初期 574 00:19:36,008 --> 00:19:37,259 或是黑洞的中心 575 00:19:37,259 --> 00:19:39,678 時空曲率無限大的奇異點 576 00:19:39,678 --> 00:19:40,888 就會遇上麻煩 577 00:19:40,888 --> 00:19:43,307 沒有合適的理論去描述它們 578 00:19:43,307 --> 00:19:44,433 而這件事 579 00:19:44,433 --> 00:19:45,726 正好也是 《 星際效應 （ Interstellar ）》 580 00:19:45,726 --> 00:19:48,437 這部電影結尾最重要的核心問題 581 00:19:48,437 --> 00:19:49,479 如果不解決 582 00:19:49,479 --> 00:19:51,064 人類就沒有未來 583 00:19:51,064 --> 00:19:53,025 讓我們回到一開始的提問 584 00:19:53,025 --> 00:19:56,486 人類真的可能找到所謂的反重力物質 585 00:19:56,486 --> 00:19:58,363 它不但不會被地心引力吸引 586 00:19:58,363 --> 00:20:00,157 還會被地球的重力排斥 587 00:20:00,157 --> 00:20:01,825 而往天空 「 掉落 」 嗎 588 00:20:01,825 --> 00:20:05,412 又或是發明號稱能夠產生重力場的裝置 589 00:20:05,412 --> 00:20:07,831 「 動力質量場產生器 」 嗎 590 00:20:07,831 --> 00:20:09,708 關於有沒有反重力物質 591 00:20:09,708 --> 00:20:11,126 只要我們根據等效原理 592 00:20:11,126 --> 00:20:12,753 來重新想像一下 593 00:20:12,753 --> 00:20:13,795 把實驗環境 594 00:20:13,795 --> 00:20:16,632 挪到在垂直方向加速飛行的太空船中 595 00:20:16,632 --> 00:20:17,549 很顯然地 596 00:20:17,549 --> 00:20:19,718 所有在船艙內懸空的物質 597 00:20:19,718 --> 00:20:21,929 都會被往上衝的地板撞到 598 00:20:21,929 --> 00:20:24,139 絕不會離地板愈來愈遠 599 00:20:24,139 --> 00:20:27,309 所以反重力物質這類被重力排斥的物質 600 00:20:27,309 --> 00:20:28,602 恐怕是難以存在 601 00:20:28,602 --> 00:20:30,145 至今我們也沒有找到 602 00:20:30,145 --> 00:20:32,397 任何反重力物質存在的證據 603 00:20:32,397 --> 00:20:34,942 至於人為產生重力場 604 00:20:34,942 --> 00:20:36,443 依目前的科學知識 605 00:20:36,443 --> 00:20:38,070 大概只能靠加速度 606 00:20:38,070 --> 00:20:39,780 或是像電影 《 星際效應 （ Interstellar ）》 那樣 607 00:20:39,780 --> 00:20:42,908 利用旋轉太空站的方式來模擬重力的效果 608 00:20:42,908 --> 00:20:45,994 不然要從根本方式操縱重力 609 00:20:45,994 --> 00:20:47,621 依舊是不可能的任務 610 00:20:47,621 --> 00:20:48,789 除非某一天 611 00:20:48,789 --> 00:20:51,208 我們對重力有了更深層的理解 612 00:20:51,208 --> 00:20:53,627 例如發現了量子重力的祕密 613 00:20:53,627 --> 00:20:56,338 或許才有跟重力討價還價的餘地 614 00:20:56,338 --> 00:20:57,172 總而言之 615 00:20:57,172 --> 00:20:58,423 廣義相對論改變了 616 00:20:58,423 --> 00:21:01,343 我們對重力 、 時空和宇宙的根本理解 617 00:21:01,343 --> 00:21:03,011 在現代宇宙學研究 618 00:21:03,011 --> 00:21:04,846 更是不可或缺的工具 619 00:21:04,846 --> 00:21:06,014 但它並不完美 620 00:21:06,014 --> 00:21:08,267 還需要跟量子力學進行整合 621 00:21:08,267 --> 00:21:09,351 我們會親眼見到 622 00:21:09,351 --> 00:21:10,686 太陽變成黑洞嗎 623 00:21:10,686 --> 00:21:11,979 為什麼耀眼的恆星 624 00:21:11,979 --> 00:21:13,647 會變成連光都不放過 625 00:21:13,647 --> 00:21:15,190 吞噬一切的黑洞呢 ？ 626 00:21:15,190 --> 00:21:17,401 黑洞到底長什麼樣子 627 00:21:17,401 --> 00:21:19,111 為了回答這些 「 宇宙難題 」 628 00:21:19,111 --> 00:21:21,363 我們前面花了兩集介紹相對論 629 00:21:21,363 --> 00:21:25,117 如何改寫我們對於宇宙 、 時空與重力的認知 630 00:21:25,117 --> 00:21:26,076 謝謝你 ， 愛因斯坦 631 00:21:26,076 --> 00:21:27,077 理論談完 632 00:21:27,077 --> 00:21:28,662 接下來就實際前往宇宙 633 00:21:28,662 --> 00:21:30,706 看看黑洞到底是怎麼出現 634 00:21:30,706 --> 00:21:33,208 黑洞的裡 、 外又是什麼樣子的 635 00:21:33,208 --> 00:21:33,834 但是啊 636 00:21:33,834 --> 00:21:35,043 決定終末的恆星 637 00:21:35,043 --> 00:21:36,712 會不會變成黑洞的關鍵 638 00:21:36,712 --> 00:21:38,338 不只有廣義相對論 639 00:21:38,338 --> 00:21:39,673 還有那個重要的 640 00:21:39,673 --> 00:21:40,841 「 量子力學 」 641 00:21:43,802 --> 00:21:45,012 你知道一顆恆星 642 00:21:45,012 --> 00:21:45,887 例如太陽 643 00:21:45,887 --> 00:21:47,097 是怎麼誕生的嗎 644 00:21:47,097 --> 00:21:49,224 宇宙中並不是空無一物 645 00:21:49,224 --> 00:21:51,435 其中氫分子幾乎無所不在 646 00:21:51,435 --> 00:21:52,728 有些氫分子構成的 647 00:21:52,728 --> 00:21:53,353 「 分子雲 」（ molecular cloud ） 648 00:21:53,353 --> 00:21:54,396 相當巨大 649 00:21:54,396 --> 00:21:56,565 直徑可能長達上百光年 650 00:21:56,565 --> 00:21:58,942 質量達太陽的數百萬倍不等 651 00:21:58,942 --> 00:22:00,527 這分子雲中的重力 652 00:22:00,527 --> 00:22:02,654 會與分子的動能達成平衡 653 00:22:02,654 --> 00:22:04,114 所以不會向內塌縮 654 00:22:04,114 --> 00:22:07,909 但是當這些分子雲受到了星際空間中的擾動 655 00:22:07,909 --> 00:22:10,162 例如超新星爆炸的衝擊波 656 00:22:10,162 --> 00:22:12,622 就會讓重力大於分子的熱動能 657 00:22:12,622 --> 00:22:15,250 從而坍縮並分離許多塊 658 00:22:15,250 --> 00:22:16,835 這些小塊的星雲 659 00:22:16,835 --> 00:22:19,838 會在自身重力的影響下繼續坍縮 660 00:22:19,838 --> 00:22:22,591 氣體也會在運動過程中被加熱 661 00:22:22,591 --> 00:22:25,344 當內部輻射壓與重力平衡時 662 00:22:25,344 --> 00:22:27,512 氣體雲凝聚成了球體 663 00:22:27,512 --> 00:22:29,181 也就是 「 原恆星 」（ protostar ） 664 00:22:29,181 --> 00:22:31,516 整個過程大約數十萬年不等 665 00:22:31,516 --> 00:22:32,309 好 666 00:22:32,309 --> 00:22:34,394 如果分子雲的質量夠大 667 00:22:34,394 --> 00:22:36,563 核心的壓力和溫度升高 668 00:22:36,563 --> 00:22:39,024 最終點燃了核融合反應 669 00:22:39,024 --> 00:22:40,776 這就是恆星的誕生 670 00:22:40,776 --> 00:22:41,485 不過 671 00:22:41,485 --> 00:22:43,862 也有一些分子雲的質量不夠 672 00:22:43,862 --> 00:22:47,074 不足以產生能引起核融合反應的核心溫度 673 00:22:47,074 --> 00:22:48,909 成為了 「 棕矮星 」（ brown dwarf ） 674 00:22:48,909 --> 00:22:51,536 它們無法像其他恆星那樣發光發熱 675 00:22:51,536 --> 00:22:54,873 會在數億年內逐漸冷卻並黯淡而去 676 00:22:54,873 --> 00:22:55,665 這些恆星 677 00:22:55,665 --> 00:22:58,627 透過核融合將氫轉變成氦原子 678 00:22:58,627 --> 00:23:00,545 同時釋放出龐大的能量 679 00:23:00,545 --> 00:23:01,922 形成我們熟悉的 680 00:23:01,922 --> 00:23:04,883 太陽 、 天狼星等各式各樣的恆星 681 00:23:04,883 --> 00:23:07,552 至於我們地球與其他行星呢 682 00:23:07,552 --> 00:23:08,678 其實概念類似 683 00:23:08,678 --> 00:23:11,056 只不過是由恆星周圍的塵埃 、 氣體 684 00:23:11,056 --> 00:23:12,265 凝聚而成的罷了 685 00:23:12,265 --> 00:23:14,643 但恆星並不是終點 686 00:23:14,643 --> 00:23:15,894 成熟階段的恆星 687 00:23:15,894 --> 00:23:18,480 向內擠壓的重力依舊存在 688 00:23:18,480 --> 00:23:19,815 同時炙熱的核心 689 00:23:19,815 --> 00:23:23,110 會因為高溫產生的熱壓力向外膨脹 690 00:23:23,110 --> 00:23:24,236 兩者之間 691 00:23:24,236 --> 00:23:27,239 達成一種稱為 「 流體靜力平衡 」 的狀態 692 00:23:27,239 --> 00:23:29,074 而保持不會坍縮 693 00:23:29,074 --> 00:23:29,866 也就是說 694 00:23:29,866 --> 00:23:31,451 恆星內部的核融合 695 00:23:31,451 --> 00:23:33,745 可說是維持恆星成長的關鍵 696 00:23:33,745 --> 00:23:34,913 包含太陽在內 697 00:23:34,913 --> 00:23:36,415 這些能藉由核融合 698 00:23:36,415 --> 00:23:39,000 持續發光發熱的恆星階段 699 00:23:39,000 --> 00:23:40,627 被稱為 「 主序星 」（ main sequence ） 700 00:23:40,627 --> 00:23:42,170 之所以叫做 「 主序星 」 701 00:23:42,170 --> 00:23:45,173 那是因為這個階段的恆星在一種稱為 702 00:23:45,173 --> 00:23:46,716 「 赫羅圖 」（ H-R diagram ）的圖表上 703 00:23:46,716 --> 00:23:49,386 主要分布於 「 主序帶 」 的位置 704 00:23:49,386 --> 00:23:50,137 等等 705 00:23:50,137 --> 00:23:51,471 那赫羅圖又是什麼呢 706 00:23:51,680 --> 00:23:52,431 問得好 707 00:23:52,431 --> 00:23:54,433 如果想了解一顆恆星的命運 708 00:23:54,433 --> 00:23:55,976 你不用摩擦水晶球 709 00:23:55,976 --> 00:23:57,269 打開 「 赫羅圖 」 吧 710 00:23:57,269 --> 00:23:58,478 它是恆星的命盤 711 00:23:58,478 --> 00:24:00,939 想瞭解恆星的過去和未來 712 00:24:00,939 --> 00:24:01,898 都可以靠它 713 00:24:01,898 --> 00:24:03,316 這赫羅圖的橫軸 714 00:24:03,316 --> 00:24:04,985 是恆星的表面溫度 715 00:24:04,985 --> 00:24:06,778 縱軸則是光度 716 00:24:06,778 --> 00:24:08,280 表面溫度可以告訴我們 717 00:24:08,280 --> 00:24:10,574 恆星在可見光譜上的顏色 718 00:24:10,574 --> 00:24:12,075 通常溫度愈高 719 00:24:12,075 --> 00:24:13,952 觀測上會更接近藍色 720 00:24:13,952 --> 00:24:16,621 溫度愈低則會偏向紅色 721 00:24:16,621 --> 00:24:19,583 光度則是以太陽的光度為一個單位 722 00:24:19,583 --> 00:24:23,003 會與恆星的溫度 、 半徑 、 甚至質量成正比 723 00:24:23,003 --> 00:24:23,753 沒有錯 724 00:24:23,753 --> 00:24:25,297 不需要複雜的生辰八字 725 00:24:25,297 --> 00:24:28,633 僅僅只要表面溫度和光度這兩個資訊 726 00:24:28,633 --> 00:24:31,887 就能讓我們得知恆星的類型與演化 727 00:24:31,887 --> 00:24:33,346 因為從恆星的顏色 728 00:24:33,346 --> 00:24:34,806 或者說色調 729 00:24:34,806 --> 00:24:37,100 我們就可以得知恆星的表面溫度 730 00:24:37,100 --> 00:24:38,435 而恆星的光度 731 00:24:38,435 --> 00:24:40,896 也相當於消耗能量的速率 732 00:24:40,896 --> 00:24:42,439 質量愈大的恆星 733 00:24:42,439 --> 00:24:44,149 往往有著較高的光度 734 00:24:44,149 --> 00:24:46,151 消耗能量的速率也比較快 735 00:24:46,151 --> 00:24:47,652 因此壽命通常比較短 736 00:24:47,652 --> 00:24:49,404 就像一根點燃的炸藥 737 00:24:49,404 --> 00:24:50,197 相反的 738 00:24:50,197 --> 00:24:52,115 像是質量較小 、 溫度較低的 739 00:24:52,115 --> 00:24:53,033 「 紅矮星 」 （ red dwarf ） 740 00:24:53,033 --> 00:24:54,242 就像是一根蠟燭 741 00:24:54,242 --> 00:24:57,037 它們對應到赫羅圖橫軸 「 M 」 的位置 742 00:24:57,037 --> 00:24:59,331 它核融合的速率相對緩慢 743 00:24:59,331 --> 00:25:01,458 會有較長的主序星階段 744 00:25:01,458 --> 00:25:03,460 可能會持續數千億年 745 00:25:03,460 --> 00:25:04,836 甚至數兆年不等 746 00:25:04,836 --> 00:25:06,546 而我們的太陽呢 747 00:25:06,546 --> 00:25:07,464 在赫羅圖中 748 00:25:07,464 --> 00:25:10,050 對應到 「 G 型 」 主序星的位置 749 00:25:10,050 --> 00:25:13,011 這個階段通常會持續百億年不等 750 00:25:13,011 --> 00:25:13,803 也就是說 751 00:25:13,803 --> 00:25:16,223 目前年約五十億歲的太陽 752 00:25:16,223 --> 00:25:18,475 相當於處在恆星的壯年階段 753 00:25:18,475 --> 00:25:19,851 但到了最後 754 00:25:19,851 --> 00:25:21,895 不管是炸彈還是蠟燭 755 00:25:21,895 --> 00:25:23,939 恆星終將迎來結局 756 00:25:23,939 --> 00:25:25,023 壯烈的結局 757 00:25:28,860 --> 00:25:31,655 正如同萬物都有本身的生命週期 758 00:25:31,655 --> 00:25:35,075 恆星內部的核燃料也會有消耗殆盡的一天 759 00:25:35,075 --> 00:25:36,952 一旦核心的氫用完了 760 00:25:36,952 --> 00:25:39,204 核融合反應將無法再繼續 761 00:25:39,204 --> 00:25:42,666 這時候恆星的命運將由 「 質量 」 來決定了 762 00:25:42,666 --> 00:25:43,875 不同質量的恆星 763 00:25:43,875 --> 00:25:45,460 擁有不同的生命旅程 764 00:25:45,460 --> 00:25:47,170 像剛才提到的 「 紅矮星 」 765 00:25:47,170 --> 00:25:48,922 這類質量很小的恆星 766 00:25:48,922 --> 00:25:50,632 核融合反應發生得慢 767 00:25:50,632 --> 00:25:53,385 溫度和光度雖然會慢慢增加 768 00:25:53,385 --> 00:25:55,387 但可能需要數百億年 769 00:25:55,387 --> 00:25:56,555 甚至數兆年 770 00:25:56,555 --> 00:25:59,099 此外 ， 因為用氫的速度比較慢 771 00:25:59,099 --> 00:26:01,476 整顆恆星的內部都在對流 772 00:26:01,476 --> 00:26:03,812 以致於密度分佈相對均勻 773 00:26:03,812 --> 00:26:05,730 不會發生明顯的膨脹 774 00:26:05,730 --> 00:26:08,191 所以最多也只是從紅矮星 775 00:26:08,191 --> 00:26:10,902 變成溫度較高的 「 藍矮星 」 776 00:26:10,902 --> 00:26:12,404 只不過根據計算 777 00:26:12,404 --> 00:26:14,656 藍矮星的形成需要數兆年 778 00:26:14,656 --> 00:26:17,325 我們宇宙的年齡目前只有 138 億歲 779 00:26:17,325 --> 00:26:18,493 所以我們事實上 780 00:26:18,493 --> 00:26:21,079 沒辦法實際觀測到這種藍矮星的存在 781 00:26:21,079 --> 00:26:22,789 那我們的太陽呢 782 00:26:22,789 --> 00:26:25,542 質量是太陽 0.8 到 10 倍的 783 00:26:25,542 --> 00:26:27,586 這類 「 中等質量 」 恆星 784 00:26:27,586 --> 00:26:28,920 命運都會很類似 785 00:26:28,920 --> 00:26:31,172 在核心的氫融合殆盡後 786 00:26:31,172 --> 00:26:32,340 這顆 「 氦核 」 787 00:26:32,340 --> 00:26:34,968 將不再產生向外支撐的熱壓力 788 00:26:34,968 --> 00:26:36,261 從而開始收縮 789 00:26:36,261 --> 00:26:39,014 原本核融合反應主要只發生在核心 790 00:26:39,014 --> 00:26:40,640 並不關外圍氣體的事 791 00:26:40,640 --> 00:26:42,851 但現在因為內部溫度夠高了 792 00:26:42,851 --> 00:26:45,979 足以讓核外的氫也開始進行核融合 793 00:26:45,979 --> 00:26:49,149 這時輻射壓會向外推到恆星的表層 794 00:26:49,149 --> 00:26:51,401 使恆星體積逐漸膨脹 795 00:26:51,401 --> 00:26:54,279 膨脹的同時會讓表面積變大 796 00:26:54,279 --> 00:26:55,614 能量密度變小 797 00:26:55,614 --> 00:26:57,115 因此恆星的表面 798 00:26:57,115 --> 00:26:59,409 反而會降溫成紅色 799 00:26:59,409 --> 00:27:00,994 此時就能正式宣告 800 00:27:00,994 --> 00:27:03,288 恆星進入到 「 紅巨星 」（ red giant ）階段 801 00:27:03,288 --> 00:27:05,290 對應到赫羅圖右上角的位置 802 00:27:05,290 --> 00:27:06,916 我們太陽的 「 中年危機 」 803 00:27:06,916 --> 00:27:09,377 預計將在五十億年後發生 804 00:27:09,377 --> 00:27:10,503 到時候的半徑 805 00:27:10,503 --> 00:27:13,048 可能會變成現在的兩百多倍 806 00:27:13,048 --> 00:27:15,175 包含地球在內的內側行星 807 00:27:15,175 --> 00:27:16,468 都有可能會被吞噬 808 00:27:16,468 --> 00:27:17,636 故事還沒結束 809 00:27:17,636 --> 00:27:19,763 雖然紅巨星的表面降溫了 810 00:27:19,763 --> 00:27:22,182 但核心內部高溫依然持續著 811 00:27:22,182 --> 00:27:24,434 大概在溫度高達 1 億 K 時 812 00:27:24,434 --> 00:27:27,562 會促使氦開始融合成碳和氧 813 00:27:27,562 --> 00:27:29,022 這些較重的元素 814 00:27:29,022 --> 00:27:31,650 這階段大約持續數百萬年 815 00:27:31,650 --> 00:27:32,984 但由於質量不夠大 816 00:27:32,984 --> 00:27:35,362 無法繼續進行碳融合之類的反應 817 00:27:35,362 --> 00:27:37,364 向外的熱壓力就不夠了 818 00:27:37,364 --> 00:27:38,615 恆星外層的氣體 819 00:27:38,615 --> 00:27:40,408 將不再有輻射壓的支持 820 00:27:40,408 --> 00:27:42,494 這時候核心再度坍縮 821 00:27:42,494 --> 00:27:44,496 最後大難來時各自飛 822 00:27:44,496 --> 00:27:47,040 以每秒數十公里的速率向外散逸 823 00:27:47,040 --> 00:27:49,084 形成了 「 行星狀星雲 」（ planetary nebula ） 824 00:27:49,084 --> 00:27:52,170 這時候只剩下由碳 、 氧組成的核心 825 00:27:52,170 --> 00:27:54,756 赤裸裸地暴露在星雲中央 826 00:27:54,756 --> 00:27:56,049 這顆殘存的核心 827 00:27:56,049 --> 00:27:58,051 就是所謂的 「 白矮星 」 （ white dwarf ） 828 00:27:58,051 --> 00:28:00,261 對應到赫羅圖下方的區塊 829 00:28:00,261 --> 00:28:01,346 重要的來了 830 00:28:01,346 --> 00:28:03,932 白矮星有非常高的密度 831 00:28:03,932 --> 00:28:05,350 非常 、 非常高的密度 832 00:28:05,350 --> 00:28:08,186 相當於把一顆太陽壓縮再壓縮 833 00:28:08,186 --> 00:28:10,772 變成一個比地球略小的體積 834 00:28:10,772 --> 00:28:13,400 密度大約是每立方公分 835 00:28:13,400 --> 00:28:14,818 就有三噸重 836 00:28:14,818 --> 00:28:16,861 這種高密度產生的重力 837 00:28:16,861 --> 00:28:20,115 理論上會讓白矮星進一步繼續塌縮 838 00:28:20,115 --> 00:28:22,367 但是在這麼極限的狀況下 839 00:28:22,367 --> 00:28:23,535 它出現了 840 00:28:23,535 --> 00:28:24,327 量子力學 841 00:28:24,327 --> 00:28:26,037 白矮星是靠一種叫 842 00:28:26,037 --> 00:28:27,789 「 電子簡併壓力 」 的力量 （ electron degeneracy pressure ） 843 00:28:27,789 --> 00:28:28,998 撐著不坍縮 844 00:28:28,998 --> 00:28:32,168 這股壓力來自量子力學的一項特殊規則 845 00:28:32,168 --> 00:28:33,878 「 包立不相容原理 」 846 00:28:33,878 --> 00:28:35,380 它規定任兩個電子 847 00:28:35,380 --> 00:28:38,174 不能同時佔據完全一樣的量子態 848 00:28:38,174 --> 00:28:39,259 你可以想像成 849 00:28:39,259 --> 00:28:40,885 是一場擠爆的演唱會 850 00:28:40,885 --> 00:28:42,554 每個電子都像是觀眾 851 00:28:42,554 --> 00:28:43,930 想擠進場中央 852 00:28:43,930 --> 00:28:45,849 但量子規則就像保全 853 00:28:45,849 --> 00:28:48,393 嚴格規定每個位置只能站一個人 854 00:28:48,393 --> 00:28:51,062 還得跟旁邊的人面朝不同方向 855 00:28:51,062 --> 00:28:53,565 於是電子們只好撐開彼此 856 00:28:53,565 --> 00:28:56,276 這種撐住不讓彼此更靠近的力道 857 00:28:56,276 --> 00:28:59,654 就是白矮星撐住自身重力的力量來源 858 00:28:59,654 --> 00:29:01,990 不過這種 「 撐住 」 也有極限 859 00:29:01,990 --> 00:29:05,618 一旦白矮星的質量超過 1.4 個太陽的質量 860 00:29:05,618 --> 00:29:07,662 這些觀眾就撐不住了 861 00:29:07,662 --> 00:29:10,331 白矮星將進一步坍縮或爆炸 862 00:29:10,331 --> 00:29:11,708 這個上限又稱為 863 00:29:11,708 --> 00:29:13,251 「 錢德拉塞卡極限 」 （ Chandrasekhar limit ） 864 00:29:13,251 --> 00:29:16,421 那麼比太陽質量大很多的恆星 865 00:29:16,421 --> 00:29:17,922 命運又會是如何 866 00:29:17,922 --> 00:29:18,590 實際上 867 00:29:18,590 --> 00:29:21,009 它們命運的前半段其實和太陽類似 868 00:29:21,009 --> 00:29:23,553 只不過核心的氫反應結束後 869 00:29:23,553 --> 00:29:27,265 高溫會讓氦會繼續融合成碳 、 氖 、 氧 870 00:29:27,265 --> 00:29:30,435 甚至到矽 、 鐵這些更重的元素 871 00:29:30,435 --> 00:29:32,937 這時恆星內部就會形成一層層 872 00:29:32,937 --> 00:29:35,023 由不同元素組成的結構 873 00:29:35,023 --> 00:29:37,442 簡直像是化學版的彩虹年輪蛋糕 874 00:29:37,442 --> 00:29:40,278 大概質量大於太陽 8 倍的主序星 875 00:29:40,278 --> 00:29:41,780 膨脹規模就可以達到 876 00:29:41,780 --> 00:29:43,323 「 超巨星 」（ supergiant ）的水準 877 00:29:43,323 --> 00:29:45,617 並在最後形成一顆鐵核 878 00:29:45,617 --> 00:29:47,243 但為什是鐵 879 00:29:47,243 --> 00:29:49,078 而不是其他更重的元素 880 00:29:49,078 --> 00:29:51,289 這是被原子物理結構寫死的 881 00:29:51,289 --> 00:29:53,708 從氫 、 氦這些比鐵輕的元素 882 00:29:53,708 --> 00:29:55,627 核融合時會釋放能量 883 00:29:55,627 --> 00:29:57,337 因為融合後的原子核 884 00:29:57,337 --> 00:29:58,379 變得更穩定 885 00:29:58,379 --> 00:30:00,632 裡面的粒子彼此綁得更緊 886 00:30:00,632 --> 00:30:03,009 多出來的能量就能釋放出來 887 00:30:03,009 --> 00:30:05,345 但鐵剛好就是最穩定的原子核 888 00:30:05,345 --> 00:30:07,680 再往上融合更重的元素 889 00:30:07,680 --> 00:30:09,808 反而會讓原子核變不穩定 890 00:30:09,808 --> 00:30:12,352 還需要額外補能才能完成反應 891 00:30:12,352 --> 00:30:13,144 相反的 892 00:30:13,144 --> 00:30:14,521 比鐵更重的元素 893 00:30:14,521 --> 00:30:16,147 雖然融合會耗能 894 00:30:16,147 --> 00:30:17,857 但如果把它分裂開來 895 00:30:17,857 --> 00:30:20,276 反而會讓原子核變得比較穩定 896 00:30:20,276 --> 00:30:22,111 這時就會釋放能量 897 00:30:22,111 --> 00:30:24,989 這也是為什麼核電廠用的核分裂原料 898 00:30:24,989 --> 00:30:26,908 是鈾而不是氫 899 00:30:26,908 --> 00:30:30,370 所以說 ， 鐵就是一系列核融合反應的終點 900 00:30:30,370 --> 00:30:32,956 此時 ， 因為核融合反應停止 901 00:30:32,956 --> 00:30:35,458 恆星不再有任何的壓力支撐 902 00:30:35,458 --> 00:30:37,335 核心開始急速坍縮 903 00:30:37,335 --> 00:30:40,004 伴隨外層的物質被噴發出去 904 00:30:40,004 --> 00:30:42,340 這就是宇宙中最壯烈的奇景 905 00:30:42,340 --> 00:30:43,675 超新星 906 00:30:43,675 --> 00:30:44,300 Su Su Su 907 00:30:44,300 --> 00:30:44,884 Supernova 908 00:30:45,176 --> 00:30:46,761 大質量恆星的終末 909 00:30:46,761 --> 00:30:47,971 超新星爆炸 910 00:30:47,971 --> 00:30:51,182 可以說是行星狀星雲的更戲劇性版本 911 00:30:51,182 --> 00:30:53,685 同樣也都會剩下一顆核心殘骸 912 00:30:53,685 --> 00:30:55,186 這種核心殘骸質量 913 00:30:55,186 --> 00:30:58,064 通常大於太陽質量的 1.4 倍 914 00:30:58,064 --> 00:31:00,024 從而形成 「 中子星 」（ neutron star ） 915 00:31:00,024 --> 00:31:01,192 簡單理解就是 916 00:31:01,192 --> 00:31:03,653 當鐵核心的密度高到極限時 917 00:31:03,653 --> 00:31:04,195 哇塞 918 00:31:04,195 --> 00:31:06,197 連原子結構都撐不住 919 00:31:06,197 --> 00:31:08,199 電子被擠進質子中 920 00:31:08,199 --> 00:31:09,492 變成了中子 921 00:31:09,492 --> 00:31:11,536 整個核心因此變成一堆 922 00:31:11,536 --> 00:31:13,371 緊密堆疊的中子球 923 00:31:13,371 --> 00:31:13,997 然而 924 00:31:13,997 --> 00:31:17,375 和白矮星被 「 電子簡併壓力 」 支撐的概念相似 925 00:31:17,375 --> 00:31:19,836 中子之間也有類似的抗力 926 00:31:19,836 --> 00:31:21,921 稱為 「 中子簡併壓力 」 927 00:31:21,921 --> 00:31:24,132 因為中子簡併壓力的存在 928 00:31:24,132 --> 00:31:26,634 中子星不會無止盡的崩塌 929 00:31:26,634 --> 00:31:28,553 但是同樣的問題來了 930 00:31:28,553 --> 00:31:32,891 電子簡併壓力和中子簡併壓力都有極限 931 00:31:32,891 --> 00:31:34,726 如果向內塌縮的力量 932 00:31:34,726 --> 00:31:36,269 超過這股壓力 933 00:31:36,269 --> 00:31:38,396 最神秘的那個天文現象 934 00:31:38,396 --> 00:31:39,814 終於要出現了 935 00:31:39,814 --> 00:31:40,565 黑洞 936 00:31:45,862 --> 00:31:48,573 中子星的密度又比白矮星大很多 937 00:31:48,573 --> 00:31:49,949 剛才說的白矮星 938 00:31:49,949 --> 00:31:53,077 密度大約是每立方公分三噸重 939 00:31:53,077 --> 00:31:55,413 這已經是個我們很難想像的概念了 940 00:31:55,413 --> 00:31:56,706 那中子星呢 941 00:31:56,706 --> 00:31:59,125 密度大約是白矮星的一億倍 942 00:31:59,125 --> 00:31:59,959 更扯 943 00:31:59,959 --> 00:32:03,504 因此中子星的大小通常可以壓縮到更小 944 00:32:03,504 --> 00:32:06,382 大小可能只有一座城市那樣大 945 00:32:06,382 --> 00:32:08,051 但在這麼小的體積內 946 00:32:08,051 --> 00:32:10,845 就有 1.4 到 3 倍的太陽質量 947 00:32:10,845 --> 00:32:14,057 同時中子星也有極其強大的重力場 948 00:32:14,057 --> 00:32:16,601 如果把一根縫衣針帶到中子星上 949 00:32:16,601 --> 00:32:18,269 重量可能會比地球上的 950 00:32:18,269 --> 00:32:20,188 一千座巴黎鐵塔還重 951 00:32:20,188 --> 00:32:23,024 另外在巨大恆星塌縮到小體積時 952 00:32:23,024 --> 00:32:24,609 需要角動量守恆 953 00:32:24,609 --> 00:32:27,779 就像和芭蕾舞者把手收進來的時候 954 00:32:27,779 --> 00:32:29,948 旋轉速度會加快的道理一樣 955 00:32:29,948 --> 00:32:32,241 中子星的自轉速度相當快 956 00:32:32,241 --> 00:32:33,868 比你家的洗衣機還快 957 00:32:33,868 --> 00:32:37,080 最後中子星強大的磁場會沿著兩極 958 00:32:37,080 --> 00:32:39,624 發射出集中成束的電磁輻射 959 00:32:39,624 --> 00:32:41,793 當這顆中子星高速自轉時 960 00:32:41,793 --> 00:32:44,504 這些輻射束就像燈塔光束一樣 961 00:32:44,504 --> 00:32:46,381 不斷掃過宇宙空間 962 00:32:46,381 --> 00:32:48,299 每當光束剛好對準地球 963 00:32:48,299 --> 00:32:50,259 我們就會接收到一次閃爍 964 00:32:50,259 --> 00:32:52,470 就像是宇宙對我們眨了一下眼 965 00:32:52,470 --> 00:32:54,389 因此又被稱為 「 脈衝星 」 （ pulsar ） 966 00:32:54,389 --> 00:32:56,557 或是直接音譯為 「 波霎 」 967 00:32:56,557 --> 00:32:59,727 當然中子星也是有質量上限的 968 00:32:59,727 --> 00:33:02,689 這個值大概就是 3 倍太陽質量 969 00:33:02,689 --> 00:33:04,565 也就是 「 TOV 極限 」 （ Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit ） 970 00:33:04,565 --> 00:33:06,442 或稱 「 奧本海默極限 」 971 00:33:06,442 --> 00:33:06,985 沒錯 972 00:33:06,985 --> 00:33:08,111 就是奧本海默 973 00:33:08,111 --> 00:33:10,113 跟同事在 1939 年提出來的 974 00:33:10,113 --> 00:33:11,239 想想看啊 975 00:33:11,239 --> 00:33:14,492 如果一顆恆星在主序星階段質量 976 00:33:14,492 --> 00:33:17,203 比太陽大數倍至數十倍 977 00:33:17,203 --> 00:33:18,705 在超新星爆炸後 978 00:33:18,705 --> 00:33:21,916 殘存的核心就能超過約 3 倍太陽質量 979 00:33:21,916 --> 00:33:23,835 這時候中子簡併壓力 980 00:33:23,835 --> 00:33:26,170 將無法抵抗強大的重力坍縮 981 00:33:26,170 --> 00:33:29,382 最終將結局帶到了物理定律的 「 死穴 」 982 00:33:29,382 --> 00:33:30,133 黑洞 983 00:33:30,133 --> 00:33:31,551 早在 20 世紀初 984 00:33:31,551 --> 00:33:33,302 愛因斯坦在廣義相對論中 985 00:33:33,302 --> 00:33:34,095 間接預言了 986 00:33:34,095 --> 00:33:35,847 「 黑洞 」（ black hole） 這種天體的存在時 987 00:33:35,847 --> 00:33:37,015 物理學家們 988 00:33:37,015 --> 00:33:38,349 紛紛起了雞皮疙瘩 989 00:33:38,349 --> 00:33:39,267 畢竟這種天體 990 00:33:39,267 --> 00:33:41,602 充滿了各種違反人類直覺的特性 991 00:33:41,602 --> 00:33:43,438 比如難以想像的重力場 992 00:33:43,438 --> 00:33:44,564 能讓光線 993 00:33:44,564 --> 00:33:46,816 甚至時間永久禁錮其中 994 00:33:46,816 --> 00:33:47,650 又或者 995 00:33:47,650 --> 00:33:49,318 所有被吸入的物質 996 00:33:49,318 --> 00:33:50,945 都會落在一個 「 點 」 等等 997 00:33:50,945 --> 00:33:52,280 因此天文學家們 998 00:33:52,280 --> 00:33:54,824 不斷計算恆星坍縮後的質量上限 999 00:33:54,824 --> 00:33:57,326 來確認黑洞是不是真的可能存在 1000 00:33:57,326 --> 00:33:58,661 人們首先發現 1001 00:33:58,661 --> 00:34:00,705 核心超過錢德拉塞卡極限的 1002 00:34:00,705 --> 00:34:02,874 1.4 倍太陽質量時 1003 00:34:02,874 --> 00:34:05,460 白矮星將無法抵抗重力的壓縮 1004 00:34:05,460 --> 00:34:06,210 但所幸 1005 00:34:06,210 --> 00:34:07,420 物理學家發現 1006 00:34:07,420 --> 00:34:09,213 這電子扛不住後 1007 00:34:09,213 --> 00:34:11,591 還有中子之間的作用力可以撐住 1008 00:34:11,591 --> 00:34:13,843 也因此預言了中子星的存在 1009 00:34:13,843 --> 00:34:16,512 然而隨著奧本海默極限被提出後 1010 00:34:16,512 --> 00:34:18,222 物理學家們開始慌了 1011 00:34:18,222 --> 00:34:18,639 哇 1012 00:34:18,639 --> 00:34:20,558 原來中子星也有上限值 1013 00:34:20,558 --> 00:34:22,643 那就是太陽質量的 3 倍左右 1014 00:34:22,643 --> 00:34:24,145 一旦超過了這個值 1015 00:34:24,145 --> 00:34:25,897 那麼所有已知的作用力 1016 00:34:25,897 --> 00:34:27,231 將無法抵抗重力 1017 00:34:27,231 --> 00:34:29,192 把物質徹底壓縮 1018 00:34:29,192 --> 00:34:32,070 恆星終將無可避免地坍縮成黑洞 1019 00:34:32,070 --> 00:34:34,530 而且在 1960 、 70 年代後 1020 00:34:34,530 --> 00:34:35,865 人們進一步發現 1021 00:34:35,865 --> 00:34:39,035 黑洞不僅僅能從大質量恆星的坍縮後形成 1022 00:34:39,035 --> 00:34:40,912 每個星系中央 1023 00:34:40,912 --> 00:34:42,121 似乎都有一顆 1024 00:34:42,121 --> 00:34:43,372 「 超大質量黑洞 」 （ supermassive black hole ） 1025 00:34:43,372 --> 00:34:44,207 的存在 1026 00:34:44,207 --> 00:34:46,959 它們的質量重達太陽的數十萬 1027 00:34:46,959 --> 00:34:48,669 乃至數十億倍 1028 00:34:48,669 --> 00:34:50,046 和恆星黑洞相比 1029 00:34:50,046 --> 00:34:51,756 完全是不同次元的存在 1030 00:34:51,756 --> 00:34:53,174 星系中央的黑洞 1031 00:34:53,174 --> 00:34:54,801 控制了核心的結構 1032 00:34:54,801 --> 00:34:56,636 甚至影響著星系的演化 1033 00:34:56,636 --> 00:34:57,929 如果說 「 暗物質 」 1034 00:34:57,929 --> 00:35:00,473 是維持星系的 「 隱形骨架 」 好了 1035 00:35:00,473 --> 00:35:01,849 那麼超大質量黑洞 1036 00:35:01,849 --> 00:35:04,102 大概更像是星系的心臟 1037 00:35:04,102 --> 00:35:05,645 你說 ： 暗物質又是什麼 1038 00:35:05,645 --> 00:35:07,438 來點這邊來複習複習 1039 00:35:07,438 --> 00:35:09,607 在黑洞被預言過後的數十年間 1040 00:35:09,607 --> 00:35:11,734 由於一直沒有任何觀測證據 1041 00:35:11,734 --> 00:35:12,902 大部分物理學家 1042 00:35:12,902 --> 00:35:15,613 也不願意肯定這種 「 怪物 」 天體的存在 1043 00:35:15,613 --> 00:35:17,323 跟尼斯湖水怪的地位差不多 1044 00:35:17,323 --> 00:35:21,202 畢竟黑洞本身就是天體在極端條件下的產物 1045 00:35:21,202 --> 00:35:22,537 或者更像是一種 1046 00:35:22,537 --> 00:35:24,330 數學方程上的假想 1047 00:35:24,330 --> 00:35:25,832 倘若真的存在 1048 00:35:25,832 --> 00:35:27,708 那無疑挑戰了從古至今 1049 00:35:27,708 --> 00:35:29,252 許多條物理鐵律 1050 00:35:29,252 --> 00:35:30,586 直到 1964 年 1051 00:35:30,586 --> 00:35:33,131 天文學家發現 「 天鵝座 X-1 」 1052 00:35:33,131 --> 00:35:36,634 會釋放出強大且不尋常的 X 射線 1053 00:35:36,634 --> 00:35:37,635 可是卻看不到它 1054 00:35:37,635 --> 00:35:39,846 由於 X 射線的來源非常激烈 1055 00:35:39,846 --> 00:35:40,888 科學家就想 1056 00:35:40,888 --> 00:35:43,766 這應該是來自旁邊的藍巨星氣體 1057 00:35:43,766 --> 00:35:45,810 落入了這顆 「 看不見 」 的天體 1058 00:35:45,810 --> 00:35:47,478 所產生的高溫加熱 1059 00:35:47,478 --> 00:35:48,938 那屈指一算 1060 00:35:48,938 --> 00:35:49,856 哎呀不得了 1061 00:35:49,856 --> 00:35:51,816 這顆看不見的伴星質量 1062 00:35:51,816 --> 00:35:53,526 大約是太陽的 10 倍 1063 00:35:53,526 --> 00:35:55,611 遠超過錢德拉塞卡極限 1064 00:35:55,611 --> 00:35:57,655 也超過了奧本海默極限 1065 00:35:57,655 --> 00:35:59,365 於是在 1975 年 1066 00:35:59,365 --> 00:36:02,493 一場物理學界極富盛名的賭盤出現了 1067 00:36:02,493 --> 00:36:03,661 史蒂芬 · 霍金（ Stephen Hawking ） 1068 00:36:03,661 --> 00:36:05,496 與他的同事基普 · 索恩（ Kip Thorne ） 1069 00:36:05,496 --> 00:36:08,624 打賭天鵝座 X-1 到底是不是黑洞 1070 00:36:08,624 --> 00:36:10,042 霍金賭不是 1071 00:36:10,042 --> 00:36:11,836 但直到 1990 年的時候 1072 00:36:11,836 --> 00:36:12,962 天鵝座 X-1 1073 00:36:12,962 --> 00:36:15,173 已經被廣泛認為是黑洞的候選者 1074 00:36:15,173 --> 00:36:16,841 霍金也就認賭服輸 1075 00:36:16,841 --> 00:36:19,343 最後贈予索恩一年份的 《 閣樓 》 雜誌 1076 00:36:19,343 --> 00:36:19,886 對了 1077 00:36:19,886 --> 00:36:22,847 據說霍金其實也認為天鵝座 X-1 是黑洞 1078 00:36:22,847 --> 00:36:23,848 所以如果賭輸了 1079 00:36:23,848 --> 00:36:25,349 那霍金一樣會很高興 1080 00:36:25,349 --> 00:36:26,601 要是賭贏了 1081 00:36:26,601 --> 00:36:27,852 不是黑洞的話 1082 00:36:27,852 --> 00:36:29,812 霍金也會獲得一年份 《 閣樓 》 雜誌 1083 00:36:29,812 --> 00:36:31,189 這種正向的賭徒心態 1084 00:36:31,189 --> 00:36:32,190 大家可以參考參考 1085 00:36:32,190 --> 00:36:33,691 好 ， 說了那麼多 1086 00:36:33,691 --> 00:36:35,610 「 黑洞 」 究竟是什麼 1087 00:36:35,610 --> 00:36:37,862 其實就是中子星的升級版 1088 00:36:37,862 --> 00:36:39,030 pro max ultra 1089 00:36:39,030 --> 00:36:40,615 擁有超強大的重力場 1090 00:36:40,615 --> 00:36:41,449 有多強呢 1091 00:36:41,449 --> 00:36:43,409 如果說你站在中子星上 1092 00:36:43,409 --> 00:36:45,703 會像背著一整座山那樣重 1093 00:36:45,703 --> 00:36:47,330 那麼靠近黑洞時 1094 00:36:47,330 --> 00:36:48,581 就不只是變重而已 1095 00:36:48,581 --> 00:36:50,082 你會像是拔絲地瓜那樣 1096 00:36:50,082 --> 00:36:52,376 從腳到頭被一寸寸拉開 1097 00:36:52,376 --> 00:36:53,920 身體裡的分子 、 原子 1098 00:36:53,920 --> 00:36:55,213 一個接一個地撐不住 1099 00:36:55,213 --> 00:36:57,381 被撕裂成看不見的基本粒子 1100 00:36:57,381 --> 00:36:58,549 這不是摔進去 1101 00:36:58,549 --> 00:36:59,550 是被 「 拔絲 」 1102 00:36:59,550 --> 00:37:01,469 同時 ， 就如你肯定知道的 1103 00:37:01,469 --> 00:37:03,930 這個重力場強大到能彎曲時空 1104 00:37:03,930 --> 00:37:05,723 周圍光線都會被吸進去 1105 00:37:05,723 --> 00:37:06,724 且無法逃脫 1106 00:37:06,724 --> 00:37:08,893 因此肉眼基本上是不可見的 1107 00:37:08,893 --> 00:37:11,520 但這幾年隨著天文探測技術的突破 1108 00:37:11,520 --> 00:37:13,064 我們（ 人類 ）終於在 2019 年 1109 00:37:13,064 --> 00:37:15,816 獲得了人類史上第一枚黑洞影像 1110 00:37:15,816 --> 00:37:17,902 是位於 M87 星系中心的 1111 00:37:17,902 --> 00:37:19,237 超大質量黑洞 1112 00:37:19,237 --> 00:37:21,113 而我們所居住的銀河系 1113 00:37:21,113 --> 00:37:23,783 中央也有一個超大質量黑洞 1114 00:37:23,783 --> 00:37:25,076 「 人馬座 A * 」 1115 00:37:25,076 --> 00:37:27,411 它的照片也在 2022 年被公開了 1116 00:37:27,411 --> 00:37:29,830 關於這幾張黑洞照片是怎麼拍的 1117 00:37:29,830 --> 00:37:31,999 能看出黑洞的哪些樣貌 1118 00:37:31,999 --> 00:37:34,460 可以回我們之前的影片來複習 1119 00:37:34,460 --> 00:37:36,254 也呼籲大家不用擔心 1120 00:37:36,254 --> 00:37:37,755 我們距離銀河系中央 1121 00:37:37,755 --> 00:37:39,757 大約有 27,000 光年遠 1122 00:37:39,757 --> 00:37:42,426 因此不會被超大質量黑洞吞噬 1123 00:37:42,426 --> 00:37:43,219 嗯 ， 應該啦 1124 00:37:43,219 --> 00:37:44,845 但大家最好奇的肯定是 1125 00:37:44,845 --> 00:37:46,639 黑洞裡面到底是什麼樣子的 1126 00:37:46,639 --> 00:37:48,599 如果真的我們一躍而下 1127 00:37:48,599 --> 00:37:49,725 跳進黑洞中 1128 00:37:49,725 --> 00:37:51,060 到底會發生什麼事 1129 00:37:51,060 --> 00:37:53,271 我們真的有可能穿越時空 1130 00:37:53,271 --> 00:37:55,273 去往完全不同的世界嗎 1131 00:37:55,273 --> 00:37:56,607 還是自身的存在 1132 00:37:56,607 --> 00:37:58,150 會被抹除殆盡呢 1133 00:37:58,150 --> 00:37:59,777 這跟量子力學 1134 00:37:59,777 --> 00:38:00,945 又有什麼關係 1135 00:38:00,945 --> 00:38:03,030 我們不拒絕任何東西 1136 00:38:03,030 --> 00:38:06,284 所以也不要奪走我們任何一樣東西 1137 00:38:06,284 --> 00:38:08,202 宇宙的流星街就在黑洞 1138 00:38:08,202 --> 00:38:09,287 而黑洞的最深處 1139 00:38:09,287 --> 00:38:10,955 就是奇異點 1140 00:38:10,955 --> 00:38:13,124 物理學家超想研究奇異點 1141 00:38:13,124 --> 00:38:14,333 雖然困難重重 1142 00:38:14,333 --> 00:38:16,627 但是這不能阻止我們的好奇心 1143 00:38:16,627 --> 00:38:17,962 我們可以根據愛因斯坦 1144 00:38:17,962 --> 00:38:19,505 留下的廣義相對論 1145 00:38:19,505 --> 00:38:21,382 推測黑洞和黑洞中的奇異點 1146 00:38:21,382 --> 00:38:22,967 是什麼樣子 1147 00:38:22,967 --> 00:38:23,634 在那裡 1148 00:38:23,634 --> 00:38:25,177 時空失控了嗎 1149 00:38:25,177 --> 00:38:26,387 而掉進黑洞後 1150 00:38:26,387 --> 00:38:28,472 我們會真的徹底消失 1151 00:38:28,472 --> 00:38:31,142 還是能發現宇宙的終極祕密呢 1152 00:38:31,142 --> 00:38:32,727 現在這一集 1153 00:38:32,727 --> 00:38:34,437 就跟我們一起潛入黑洞 1154 00:38:34,437 --> 00:38:37,064 看看黑洞的裡面到底長怎樣 1155 00:38:37,064 --> 00:38:38,232 但我得先說 1156 00:38:38,232 --> 00:38:39,233 進去了 1157 00:38:39,233 --> 00:38:40,276 就出不來囉 1158 00:38:43,946 --> 00:38:47,033 上一集我們聊了大質量恆星的結局 1159 00:38:47,033 --> 00:38:48,617 有可能變成黑洞 1160 00:38:48,617 --> 00:38:50,536 除此之外每一個星系的中央 1161 00:38:50,536 --> 00:38:52,747 還有超大質量黑洞的存在 1162 00:38:52,747 --> 00:38:54,623 但能吞噬一切的黑洞 1163 00:38:54,623 --> 00:38:56,542 能被物理定律描述嗎 1164 00:38:56,542 --> 00:38:57,877 先前我們好好聊過了 1165 00:38:57,877 --> 00:39:00,087 愛因斯坦著名的廣義相對論 1166 00:39:00,087 --> 00:39:03,382 解釋時間 、 空間與重力之間的關係 1167 00:39:03,382 --> 00:39:05,343 想複習可以先點這裡 1168 00:39:05,343 --> 00:39:07,053 當時還沒提到的是 1169 00:39:07,053 --> 00:39:08,429 廣義相對論裏頭 1170 00:39:08,429 --> 00:39:10,639 包含了一條最重要的方程式 1171 00:39:10,639 --> 00:39:12,600 愛因斯坦場方程式 1172 00:39:12,600 --> 00:39:15,811 方程式的左半邊描述了時空的曲率 1173 00:39:15,811 --> 00:39:17,938 右邊則是物質的運動 1174 00:39:17,938 --> 00:39:19,982 宛如一首宇宙之詩 1175 00:39:19,982 --> 00:39:20,691 它說 1176 00:39:20,691 --> 00:39:22,943 物質決定時空如何彎曲 1177 00:39:22,943 --> 00:39:25,738 而時空告訴物質如何運動 1178 00:39:25,738 --> 00:39:28,366 重力在廣義相對論的視角來看 1179 00:39:28,366 --> 00:39:30,159 它相當於時空的曲率 1180 00:39:30,159 --> 00:39:32,119 與其說是一種力 1181 00:39:32,119 --> 00:39:34,038 不如說是一種幾何效應 1182 00:39:34,038 --> 00:39:35,790 為什麼說是幾何效應呢 1183 00:39:35,790 --> 00:39:36,624 你可以這麼想 1184 00:39:37,208 --> 00:39:38,167 有兩隻螞蟻 1185 00:39:38,167 --> 00:39:39,377 在地球儀的赤道 1186 00:39:39,377 --> 00:39:40,836 相隔一段距離 1187 00:39:40,836 --> 00:39:43,005 兩隻螞蟻 都筆直地往北 1188 00:39:43,005 --> 00:39:44,757 朝著北極點前進 1189 00:39:44,757 --> 00:39:45,674 你會發現 1190 00:39:45,674 --> 00:39:48,636 明明一開始 兩隻螞蟻是平行前進 1191 00:39:48,636 --> 00:39:50,513 理論上不會相交 1192 00:39:50,513 --> 00:39:52,306 但隨著越靠近北極點 1193 00:39:52,306 --> 00:39:53,140 這兩隻呢 1194 00:39:53,140 --> 00:39:54,433 會更靠近彼此 1195 00:39:54,433 --> 00:39:56,811 最後在北極點的位置相會 1196 00:39:56,811 --> 00:39:58,270 這種靠近彼此 1197 00:39:58,270 --> 00:39:59,230 就像是重力 1198 00:39:59,230 --> 00:40:01,273 把兩個質量吸引在一起 1199 00:40:01,440 --> 00:40:03,567 看似被一種無形的力牽引 1200 00:40:03,567 --> 00:40:04,360 但實際上 1201 00:40:04,360 --> 00:40:06,695 不過是因為球面本身存在著曲率 1202 00:40:06,695 --> 00:40:08,447 同樣的我們熟悉的重力 1203 00:40:08,447 --> 00:40:09,615 在廣義相對論中 1204 00:40:09,615 --> 00:40:11,951 則被認為是一種幾何效應 1205 00:40:11,951 --> 00:40:14,036 一切都是因為時空彎曲 1206 00:40:14,036 --> 00:40:15,746 導致物體互相靠近 1207 00:40:15,746 --> 00:40:17,456 或是光線前進的路線 1208 00:40:17,456 --> 00:40:18,374 產生彎曲 1209 00:40:18,374 --> 00:40:20,376 如果你還是看不懂這個公式 1210 00:40:20,376 --> 00:40:21,252 這很正常 1211 00:40:21,252 --> 00:40:24,797 因為這個公式就包含了這麼多專有名詞 1212 00:40:24,797 --> 00:40:26,465 你以為都是一堆常數 1213 00:40:26,465 --> 00:40:27,133 錯 1214 00:40:27,133 --> 00:40:29,135 例如這個帶有兩個下標的符號 1215 00:40:29,135 --> 00:40:31,887 則代表這個元素是一個二階張量 1216 00:40:31,887 --> 00:40:33,472 在廣義相對論裡面 1217 00:40:33,472 --> 00:40:35,766 則以一個四乘四的矩陣呈現 1218 00:40:35,766 --> 00:40:36,392 沒錯 1219 00:40:36,392 --> 00:40:37,893 這個公式極為複雜 1220 00:40:37,893 --> 00:40:39,186 就連愛因斯坦本人 1221 00:40:39,186 --> 00:40:40,312 都花了不少心力 1222 00:40:40,312 --> 00:40:42,064 才求出一個近似解 1223 00:40:42,064 --> 00:40:44,442 用來預測水星軌道的偏差角度 1224 00:40:44,442 --> 00:40:45,818 但是就在愛因斯坦 1225 00:40:45,818 --> 00:40:47,987 發表廣義相對論的兩個月後 1226 00:40:47,987 --> 00:40:49,238 他收到了一封信 1227 00:40:49,238 --> 00:40:52,283 寄件者是物理學家卡爾 · 史瓦西 1228 00:40:52,283 --> 00:40:53,951 在天體是球對稱 1229 00:40:53,951 --> 00:40:55,786 不旋轉也不帶電的前提下 1230 00:40:55,786 --> 00:40:57,955 史瓦西算出了一個精確解 1231 00:40:57,955 --> 00:41:01,625 前面這一項代表重力如何影響時間 1232 00:41:01,625 --> 00:41:05,004 後面這一項表示空間如何被扭曲 1233 00:41:05,004 --> 00:41:06,172 後人為了紀念他 1234 00:41:06,172 --> 00:41:08,299 便稱之為 「 史瓦西度規 」 1235 00:41:08,299 --> 00:41:10,926 解開數學題目固然讓人感到開心 1236 00:41:10,926 --> 00:41:13,554 但這個解卻令人毛骨悚然 1237 00:41:13,554 --> 00:41:14,805 不然你仔細看 1238 00:41:14,805 --> 00:41:15,931 再看仔細點 1239 00:41:15,931 --> 00:41:17,349 有沒有看到一個人臉 1240 00:41:17,349 --> 00:41:18,559 嗯 沒有就好 1241 00:41:18,559 --> 00:41:20,394 因為它真正恐怖的點在於 1242 00:41:20,394 --> 00:41:21,604 根據史瓦希的解 1243 00:41:21,604 --> 00:41:23,647 在一個特殊的 「 臨界半徑 」 上 1244 00:41:23,647 --> 00:41:25,024 會發生奇怪的事 1245 00:41:25,024 --> 00:41:26,484 當一個天體的 ｒ 1246 00:41:26,484 --> 00:41:27,526 也就是半徑 1247 00:41:27,526 --> 00:41:29,904 等於 2GM / c² 的時候 1248 00:41:29,904 --> 00:41:32,406 時間項會等於 ０ 1249 00:41:32,406 --> 00:41:33,449 你沒聽錯 1250 00:41:33,449 --> 00:41:34,617 時間是零耶 1251 00:41:34,617 --> 00:41:35,451 零耶 1252 00:41:35,451 --> 00:41:37,578 也就是時間會近乎靜止 1253 00:41:37,578 --> 00:41:40,623 而且空間項更會發散到無窮大 1254 00:41:40,623 --> 00:41:41,999 代表空間被扭曲 1255 00:41:41,999 --> 00:41:43,792 拉伸至無限 1256 00:41:43,959 --> 00:41:44,376 對 1257 00:41:44,376 --> 00:41:45,586 你還是沒聽錯 1258 00:41:45,586 --> 00:41:46,462 無限耶 1259 00:41:46,795 --> 00:41:47,922 無限耶 1260 00:41:47,922 --> 00:41:50,466 一個天體如果小於它的臨界半徑 1261 00:41:50,466 --> 00:41:51,884 以太陽來說的話 1262 00:41:51,884 --> 00:41:53,302 就是半徑三公里 1263 00:41:53,302 --> 00:41:56,347 這個天體就會形成一個奇異點 1264 00:41:56,347 --> 00:41:58,682 在臨界半徑內的所有物質 1265 00:41:58,682 --> 00:42:01,143 包括光都無法逃逸出去 1266 00:42:01,143 --> 00:42:02,269 這個臨界半徑 1267 00:42:02,269 --> 00:42:04,230 就稱為 「 史瓦西半徑 」 1268 00:42:04,230 --> 00:42:07,024 而這個連光都無法逃脫的奇異點 1269 00:42:07,024 --> 00:42:08,275 就是我們熟知的 1270 00:42:08,275 --> 00:42:08,859 黑洞 1271 00:42:08,859 --> 00:42:11,153 那到底我們碰到這個黑洞 1272 00:42:11,153 --> 00:42:12,446 會發生什麼事呢 1273 00:42:12,446 --> 00:42:14,573 時空被扭曲到極限 1274 00:42:14,573 --> 00:42:15,699 到底是什麼意思 1275 00:42:15,699 --> 00:42:18,035 不如就讓我們坐上一艘太空船 1276 00:42:18,035 --> 00:42:19,245 前往黑洞 1277 00:42:19,245 --> 00:42:20,663 從外到內 1278 00:42:20,663 --> 00:42:22,998 看看黑洞到底長什麼樣子 1279 00:42:22,998 --> 00:42:23,874 進入黑洞中 1280 00:42:23,874 --> 00:42:25,459 周圍的時空 1281 00:42:25,459 --> 00:42:26,835 真的會出現變化嗎 1282 00:42:31,173 --> 00:42:32,675 當我們前往黑洞 1283 00:42:32,675 --> 00:42:35,010 你第一個感到驚訝的原因會是 1284 00:42:35,010 --> 00:42:36,303 黑洞其實並不黑 1285 00:42:36,720 --> 00:42:37,388 關於這點 1286 00:42:37,388 --> 00:42:39,348 在我們成功拍到黑洞的照片時 1287 00:42:39,348 --> 00:42:40,516 就已經知道了 1288 00:42:40,516 --> 00:42:42,101 可是黑洞的重力場 1289 00:42:42,101 --> 00:42:43,978 不是連光線都能被吸進去嗎 1290 00:42:43,978 --> 00:42:45,729 又為何可以被拍攝到呢 1291 00:42:45,729 --> 00:42:47,398 照片中的環狀結構 1292 00:42:47,398 --> 00:42:49,108 其實是黑洞的「 吸積盤 」（accretion disk） 1293 00:42:49,108 --> 00:42:51,819 你可以把它想像成物質被吸入前 1294 00:42:52,027 --> 00:42:53,279 因為高速旋轉 1295 00:42:53,279 --> 00:42:54,738 而形成的 「 死亡漩渦 」 1296 00:42:54,738 --> 00:42:56,198 諸如氣體 、 塵埃 1297 00:42:56,198 --> 00:42:57,741 恆星殘骸等物質 1298 00:42:57,741 --> 00:42:59,326 在不斷摩擦加熱下 1299 00:42:59,326 --> 00:43:01,370 甚至會達到數億度高溫 1300 00:43:01,370 --> 00:43:03,080 同時釋放出高能射線 1301 00:43:03,080 --> 00:43:04,123 從而被觀測到 1302 00:43:04,123 --> 00:43:04,832 現在 1303 00:43:04,832 --> 00:43:07,001 假設我們的太空船十分堅固 1304 00:43:07,001 --> 00:43:08,669 可以順利穿過吸積盤 1305 00:43:08,669 --> 00:43:10,170 而不會被高溫粉碎 1306 00:43:10,170 --> 00:43:12,298 我們就來到了黑洞的面前 1307 00:43:12,298 --> 00:43:16,010 剛才說每個黑洞都有一個 「 史瓦西半徑 」 1308 00:43:16,010 --> 00:43:18,345 簡單來說 這個半徑告訴了我們 1309 00:43:18,345 --> 00:43:20,598 將物體的體積壓縮到多小 1310 00:43:20,598 --> 00:43:21,890 就會變成黑洞 1311 00:43:21,890 --> 00:43:22,766 舉個例子 1312 00:43:22,766 --> 00:43:24,393 與太陽質量相等的物體 1313 00:43:24,393 --> 00:43:26,395 它的史瓦西半徑是三公里 1314 00:43:26,395 --> 00:43:27,438 換句話說 1315 00:43:27,438 --> 00:43:30,774 只要把太陽半徑壓縮到只剩三公里 1316 00:43:30,774 --> 00:43:33,027 大概一座陽明山所覆蓋的範圍 1317 00:43:33,027 --> 00:43:34,445 就會直接變成黑洞 1318 00:43:34,737 --> 00:43:36,071 如果換作是地球 1319 00:43:36,071 --> 00:43:38,407 就需要壓縮成一枚硬幣大小 1320 00:43:38,407 --> 00:43:39,783 才能變成黑洞 1321 00:43:39,783 --> 00:43:40,951 剛才說 1322 00:43:40,951 --> 00:43:42,369 在這裡空間會被扭曲 1323 00:43:42,369 --> 00:43:43,829 拉伸至無限 1324 00:43:43,829 --> 00:43:45,205 這到底意味著什麼 1325 00:43:45,205 --> 00:43:48,125 我們會被扭曲到分不清東西南北嗎 1326 00:43:48,125 --> 00:43:50,836 這就關係到光究竟是怎麼 「 走 」 的問題了 1327 00:43:50,836 --> 00:43:52,963 我們常常聽說 「 光走直線 」 1328 00:43:52,963 --> 00:43:55,299 但這其實只在時空平坦 1329 00:43:55,299 --> 00:43:58,302 沒有被重力嚴重扭曲的情況下才成立 1330 00:43:58,302 --> 00:44:00,804 更精確 、 更普遍的說法是 1331 00:44:00,804 --> 00:44:02,014 光永遠遵循著 1332 00:44:02,014 --> 00:44:04,933 時空中兩點之間的 「 最短路徑 」 1333 00:44:04,933 --> 00:44:07,394 物理學家給了它一個專有名詞 1334 00:44:07,394 --> 00:44:09,146 叫做 「 測地線 」 (Geodesic) 1335 00:44:09,146 --> 00:44:11,774 在我們熟悉的 、 接近平坦的時空中 1336 00:44:11,774 --> 00:44:14,443 測地線正好就是我們認知的直線 1337 00:44:14,443 --> 00:44:15,944 但在黑洞旁邊 1338 00:44:15,944 --> 00:44:19,239 強大的重力把時空扭曲得非常厲害 1339 00:44:19,239 --> 00:44:20,574 這裡的測地線 1340 00:44:20,574 --> 00:44:22,117 當然就不再是直線了 1341 00:44:22,117 --> 00:44:24,328 而在史瓦西半徑的臨界邊界上 1342 00:44:24,328 --> 00:44:27,373 時空的扭曲到達了最極端的程度 1343 00:44:27,373 --> 00:44:29,708 最後從事件視界內部出發 1344 00:44:29,708 --> 00:44:32,127 所有指向前方的 「 測地線 」 1345 00:44:32,127 --> 00:44:34,004 全都無可避免地 1346 00:44:34,004 --> 00:44:36,507 單向地指向黑洞的中心 1347 00:44:36,507 --> 00:44:39,677 就像你站在一個巨大無比的瀑布邊緣 1348 00:44:39,677 --> 00:44:40,803 一旦跨過去 1349 00:44:40,803 --> 00:44:43,347 無論你朝哪個方向奮力划水 1350 00:44:43,347 --> 00:44:44,807 最終的水流路徑 1351 00:44:44,807 --> 00:44:46,684 都只會向下墜落 1352 00:44:46,684 --> 00:44:47,476 在這裡 1353 00:44:47,476 --> 00:44:49,853 根本不存在任何一條可以通往 1354 00:44:49,853 --> 00:44:51,522 「 外面 」 世界的測地線 1355 00:44:51,522 --> 00:44:52,481 也就是說 1356 00:44:52,481 --> 00:44:53,482 越過這條線 1357 00:44:53,482 --> 00:44:54,900 時空本身的結構 1358 00:44:54,900 --> 00:44:57,319 就決定了你再也無法回頭 1359 00:44:57,319 --> 00:44:58,987 連光速也救不了你 1360 00:44:58,987 --> 00:45:01,365 這個範圍被稱為 「 事件視界 」 1361 00:45:01,365 --> 00:45:01,990 所以啊 1362 00:45:01,990 --> 00:45:03,283 還想要下船上廁所的 1363 00:45:03,283 --> 00:45:03,951 請趕快 1364 00:45:03,951 --> 00:45:04,660 補充一下 1365 00:45:04,660 --> 00:45:07,371 剛才假設的都是不會自轉的黑洞 1366 00:45:07,371 --> 00:45:09,540 對於有些 「 旋轉黑洞 」 而言 1367 00:45:09,540 --> 00:45:10,958 事件視界的外圍 1368 00:45:10,958 --> 00:45:12,418 還有一層 「 動圈 」 (ergosphere) 1369 00:45:12,418 --> 00:45:14,795 這個區域的時空也被拖曳著 1370 00:45:14,795 --> 00:45:16,088 但我們有機會透過 1371 00:45:16,088 --> 00:45:17,339 「 潘洛斯過程 」 (Penrose process) 1372 00:45:17,339 --> 00:45:19,383 來從黑洞身上提取能量 1373 00:45:19,383 --> 00:45:21,510 而且還能順利從黑洞逃脫 1374 00:45:21,510 --> 00:45:22,761 想知道怎麼做的 1375 00:45:22,761 --> 00:45:23,846 請留言告訴我們 1376 00:45:23,846 --> 00:45:25,681 我們之後再來單獨介紹介紹 1377 00:45:25,681 --> 00:45:26,724 關鍵來了 1378 00:45:26,724 --> 00:45:28,016 穿越事件視界後 1379 00:45:28,016 --> 00:45:29,643 除了無法返回以外 1380 00:45:29,643 --> 00:45:31,520 我們的太空船和我們 1381 00:45:31,520 --> 00:45:32,896 會發生什麼事呢 1382 00:45:32,896 --> 00:45:35,023 這就要看看這是什麼樣的黑洞了 1383 00:45:35,023 --> 00:45:37,484 如果這是一個恆星變成的黑洞 1384 00:45:37,484 --> 00:45:38,944 那麼很快就進入結局了 1385 00:45:38,944 --> 00:45:40,779 因為還不用進入事件視界 1386 00:45:40,779 --> 00:45:41,947 強大的潮汐力 1387 00:45:41,947 --> 00:45:44,742 就會把你當成龍鬚糖抽絲拉長 1388 00:45:44,742 --> 00:45:46,285 接著就會被粉碎 1389 00:45:46,285 --> 00:45:48,162 所謂潮汐力 其實是一種 1390 00:45:48,162 --> 00:45:49,079 假想力 1391 00:45:49,079 --> 00:45:49,788 它指的是 1392 00:45:49,788 --> 00:45:51,081 如果你頭上腳下 1393 00:45:51,081 --> 00:45:52,332 靠近黑洞的時候 1394 00:45:52,332 --> 00:45:54,668 腳的部分所受的重力比較大 1395 00:45:54,668 --> 00:45:57,087 頭的地方所受的重力比較小 1396 00:45:57,087 --> 00:45:58,672 頭腳受力不均勻 1397 00:45:58,672 --> 00:46:00,716 整個人就會被龍鬚糖化 1398 00:46:00,716 --> 00:46:02,134 在天文物理學中 1399 00:46:02,134 --> 00:46:03,469 這個現象又被稱為 1400 00:46:03,469 --> 00:46:05,179 「 義大利麵條化 」(spaghettification) 現象 1401 00:46:05,179 --> 00:46:07,389 而潮汐力與黑洞的大小有關 1402 00:46:07,389 --> 00:46:08,474 質量小的黑洞 1403 00:46:08,474 --> 00:46:10,058 在視界以外一段距離 1404 00:46:10,058 --> 00:46:12,436 強大的潮汐力就會將物體粉碎 1405 00:46:12,436 --> 00:46:13,228 但是 1406 00:46:13,228 --> 00:46:16,315 如果你面對的是星系中央的超大質量黑洞 1407 00:46:16,315 --> 00:46:17,691 情形就不同了 1408 00:46:17,691 --> 00:46:20,068 作用在你身上各個部位的重力值 1409 00:46:20,068 --> 00:46:21,445 不會偏差太多 1410 00:46:21,445 --> 00:46:25,199 因此你不會在事件視界以外就被撕碎 1411 00:46:25,199 --> 00:46:25,783 相反的 1412 00:46:25,783 --> 00:46:28,202 你甚至可能在毫無不適的狀態下 1413 00:46:28,202 --> 00:46:29,995 就跨越了事件視界 1414 00:46:29,995 --> 00:46:31,330 不過最後還是會 1415 00:46:31,330 --> 00:46:31,997 嗯 1416 00:46:31,997 --> 00:46:34,124 為了讓我們這趟旅程可以延續 1417 00:46:34,124 --> 00:46:35,083 這次的旅程 1418 00:46:35,083 --> 00:46:37,586 是銀河系中心的超大質量黑洞 1419 00:46:37,586 --> 00:46:38,921 現在說應該還來得及吧 1420 00:46:38,921 --> 00:46:39,797 但這個時候 1421 00:46:39,797 --> 00:46:41,048 雖然進入黑洞後 1422 00:46:41,048 --> 00:46:43,300 會以趨近光速的速度落入 1423 00:46:43,300 --> 00:46:45,803 對於 「 時間 」 的體驗卻相當反常 1424 00:46:45,803 --> 00:46:47,554 史瓦西度規告訴我們 1425 00:46:47,554 --> 00:46:50,265 在事件視界的時間會近乎靜止 1426 00:46:50,265 --> 00:46:51,099 也就是說 1427 00:46:51,099 --> 00:46:52,476 你落入黑洞後 1428 00:46:52,476 --> 00:46:54,561 你的夥伴在遠處的太空船上 1429 00:46:54,561 --> 00:46:55,771 會驚訝地望著 1430 00:46:55,771 --> 00:46:58,148 由於重力會讓時間變慢 1431 00:46:58,148 --> 00:47:01,443 他將會看見你的身影如同慢速播放一般 1432 00:47:01,443 --> 00:47:03,946 並定格在事件視界外圍 1433 00:47:03,946 --> 00:47:07,157 而且由於光線從強重力的地方出來時 1434 00:47:07,157 --> 00:47:09,785 就像爬坡一樣會損失能量 1435 00:47:09,785 --> 00:47:11,286 光線能量變低的話 1436 00:47:11,286 --> 00:47:12,830 波長就會變長 1437 00:47:12,830 --> 00:47:14,456 顏色就會偏紅 1438 00:47:14,456 --> 00:47:15,749 產生重力紅移 1439 00:47:15,749 --> 00:47:18,460 因此從你身上發射出的光線 1440 00:47:18,460 --> 00:47:21,630 會朝著紅外線與無線電波的方向移動 1441 00:47:21,630 --> 00:47:24,299 從而慢慢消失在可見範圍內 1442 00:47:24,299 --> 00:47:25,634 從外界看來 1443 00:47:25,634 --> 00:47:27,302 像是逐漸 「 淡出 」 了 1444 00:47:27,302 --> 00:47:29,638 此時我們發出的任何訊號 1445 00:47:29,638 --> 00:47:31,932 都已再無法逃離事件視界 1446 00:47:31,932 --> 00:47:33,475 他們將永遠無法得知 1447 00:47:33,475 --> 00:47:36,019 視界內部的我們是什麼情況 1448 00:47:36,019 --> 00:47:37,646 但先不管外面的夥伴了 1449 00:47:37,646 --> 00:47:39,481 此刻正墜入黑洞的我們 1450 00:47:39,481 --> 00:47:42,526 可能正在體驗一場精彩的 「 時間旅行 」 1451 00:47:42,526 --> 00:47:44,987 首先 雖然重力會讓時間流速變慢 1452 00:47:44,987 --> 00:47:46,446 但由於「 我們的時間 」 1453 00:47:46,446 --> 00:47:48,490 是跟著我們一起墜入黑洞的 1454 00:47:48,490 --> 00:47:50,784 所以你的手錶依舊正常運作 1455 00:47:50,784 --> 00:47:52,953 你的心臟仍穩定跳動著 1456 00:47:52,953 --> 00:47:54,788 所有生理與物理過程 1457 00:47:54,788 --> 00:47:56,623 「 在你眼中 」 都是正常的 1458 00:47:56,623 --> 00:47:59,626 然而如果你有機會回頭看看黑洞外圍 1459 00:47:59,626 --> 00:48:01,295 你會發現星光藍移 1460 00:48:01,295 --> 00:48:03,005 時間快速流逝著 1461 00:48:03,005 --> 00:48:04,923 假設你身處的黑洞夠大 1462 00:48:04,923 --> 00:48:06,550 你可能會需要數小時 1463 00:48:06,550 --> 00:48:08,093 才跨越事件視界 1464 00:48:08,093 --> 00:48:10,637 這時你將能看見外界的時間 1465 00:48:10,637 --> 00:48:12,180 流逝到了數千年 1466 00:48:12,180 --> 00:48:13,849 甚至數百萬年 1467 00:48:13,849 --> 00:48:14,600 換而言之 1468 00:48:14,600 --> 00:48:16,476 你將能看見宇宙的未來 1469 00:48:16,476 --> 00:48:18,145 在看完各種奇景之後 1470 00:48:18,145 --> 00:48:20,188 我們終於來到了旅程的終點 1471 00:48:20,188 --> 00:48:21,982 也就是黑洞的中心 1472 00:48:21,982 --> 00:48:22,983 「 奇異點 」 (singularity) 1473 00:48:27,029 --> 00:48:27,863 剛才說 1474 00:48:27,863 --> 00:48:30,657 史瓦西度規預測了在史瓦希半徑時 1475 00:48:30,657 --> 00:48:32,743 時空曲率會向無限發散 1476 00:48:32,743 --> 00:48:33,869 但實際上 1477 00:48:33,869 --> 00:48:35,203 這只是座標系的問題 1478 00:48:35,203 --> 00:48:36,580 舉個例子好了 1479 00:48:36,580 --> 00:48:37,539 在地球上 1480 00:48:37,539 --> 00:48:40,500 我們會用經度來區分不同地方的時區 1481 00:48:40,500 --> 00:48:42,544 但是站在北極點上的我們 1482 00:48:42,544 --> 00:48:45,213 所有經線都會穿過腳底下 1483 00:48:45,213 --> 00:48:47,758 所以時區的概念對我們不起作用 1484 00:48:47,758 --> 00:48:49,426 但這不代表 「 時間 」 的概念 1485 00:48:49,426 --> 00:48:50,844 對我們來說失效了 1486 00:48:50,844 --> 00:48:52,721 我們的一分鐘還是 60 秒 1487 00:48:52,721 --> 00:48:54,973 一天還是 24 小時 1488 00:48:54,973 --> 00:48:55,891 同樣的道理 1489 00:48:55,891 --> 00:48:57,517 史瓦西半徑上的問題 1490 00:48:57,517 --> 00:48:59,061 也是史瓦西座標系 1491 00:48:59,061 --> 00:49:02,189 在這個特定位置失效所導致的假象 1492 00:49:02,189 --> 00:49:04,483 我們稱之為 「 座標奇異點 」 1493 00:49:04,483 --> 00:49:07,569 這可能並不代表時空曲率真的無限大 1494 00:49:07,569 --> 00:49:09,321 那麼 我們要如何正確判斷 1495 00:49:09,321 --> 00:49:10,739 一個地方的時空曲率 1496 00:49:10,739 --> 00:49:12,491 是不是真的無限大呢 1497 00:49:12,491 --> 00:49:13,575 當然就是需要一個 1498 00:49:13,575 --> 00:49:14,868 不隨座標系改變 1499 00:49:14,868 --> 00:49:15,827 而改變的量 1500 00:49:15,827 --> 00:49:17,788 物理學家艾里希·克雷希曼 1501 00:49:17,788 --> 00:49:20,248 提出了 「 克雷希曼純量 」 1502 00:49:20,248 --> 00:49:21,458 這個純量的大小 1503 00:49:21,458 --> 00:49:23,794 可以反映時空真正的彎曲程度 1504 00:49:23,794 --> 00:49:25,754 無論你使用哪種座標系 1505 00:49:25,754 --> 00:49:27,422 算出來的值都一樣 1506 00:49:27,422 --> 00:49:30,342 當我們計算史瓦西時空的克雷希曼純量時 1507 00:49:30,342 --> 00:49:32,302 會發現在史瓦西半徑的地方 1508 00:49:32,302 --> 00:49:35,097 克雷希曼純量的值仍然是有限的 1509 00:49:35,097 --> 00:49:38,433 代表事件視界確實只是一個 「 座標奇異點 」 1510 00:49:38,433 --> 00:49:39,851 而非物理奇點 1511 00:49:39,851 --> 00:49:41,979 但是 當我們一路向內 1512 00:49:41,979 --> 00:49:43,397 計算半徑等於 ０ 1513 00:49:43,397 --> 00:49:46,984 也就是黑洞中心點的克雷希曼純量時 1514 00:49:46,984 --> 00:49:49,027 它確實會發散到無限大 1515 00:49:49,027 --> 00:49:51,905 這才是真正物理上的奇異點 1516 00:49:51,905 --> 00:49:52,990 在這個地方 1517 00:49:52,990 --> 00:49:54,491 應該說這個點上 1518 00:49:54,491 --> 00:49:57,327 時空的曲率真正達到了無限 1519 00:49:57,327 --> 00:49:59,454 密度也是無限大 1520 00:49:59,454 --> 00:50:01,498 我們目前所有已知的物理定律 1521 00:50:01,498 --> 00:50:04,001 包括愛因斯坦的廣義相對論本身 1522 00:50:04,001 --> 00:50:05,961 都在這個點完全失效 1523 00:50:05,961 --> 00:50:07,254 一個重力無窮大 1524 00:50:07,254 --> 00:50:09,214 時空曲率無窮大的 「 點 」 1525 00:50:09,214 --> 00:50:10,799 對 這很不合理 1526 00:50:10,799 --> 00:50:12,634 不合理到我想對自己說 1527 00:50:12,634 --> 00:50:14,428 你要不要聽聽看你現在到底在講什麼 1528 00:50:14,428 --> 00:50:15,804 我們知道在物理上 1529 00:50:15,804 --> 00:50:17,180 「 無限大 」 或者 「 點 」 1530 00:50:17,180 --> 00:50:18,557 都是很夭壽的概念 1531 00:50:18,557 --> 00:50:20,976 再大也一定得有個上限值吧 1532 00:50:20,976 --> 00:50:23,020 再小也一定有個體積 1533 00:50:23,020 --> 00:50:25,397 然而 「 奇異點 」 卻是名副其實的 1534 00:50:25,397 --> 00:50:27,607 科學家最不願接受的存在 1535 00:50:27,607 --> 00:50:29,609 而且啊 因為奇異點在黑洞之中 1536 00:50:29,609 --> 00:50:31,820 因此必然被事件視界包覆著 1537 00:50:31,820 --> 00:50:33,822 我們又無法看穿事件視界 1538 00:50:33,822 --> 00:50:36,033 這代表目前所知的一切理論 1539 00:50:36,033 --> 00:50:37,451 都無法讓我們觀測 1540 00:50:37,451 --> 00:50:39,536 或得知奇異點的結構 1541 00:50:39,536 --> 00:50:40,829 想看卻看不到 1542 00:50:40,829 --> 00:50:42,664 物理學家心有多癢啊 1543 00:50:42,664 --> 00:50:45,125 彷彿宇宙有意識在刻意透過審查 1544 00:50:45,125 --> 00:50:46,960 來阻絕奇異點被窺探 1545 00:50:47,294 --> 00:50:47,836 等等 1546 00:50:47,836 --> 00:50:50,213 這不是物理學家吃不到葡萄說葡萄酸 1547 00:50:50,213 --> 00:50:51,590 還真有此一說 1548 00:50:51,590 --> 00:50:53,508 就被稱為 「 宇宙審查假說 」 1549 00:50:53,508 --> 00:50:54,968 為了避開宇宙審查 1550 00:50:54,968 --> 00:50:56,803 不少物理學家正積極尋找 1551 00:50:56,803 --> 00:50:58,263 「 裸奇異點 」 的可能性 1552 00:50:58,263 --> 00:51:00,974 也就是不被事件視界所包圍的奇異點 1553 00:51:00,974 --> 00:51:02,601 可是目前宇宙審查假說 1554 00:51:02,601 --> 00:51:04,853 唯一允許存在的裸奇異點 1555 00:51:04,853 --> 00:51:05,937 就是宇宙本身 1556 00:51:05,937 --> 00:51:08,148 按照宇宙誕生的 「 大霹靂 」 模型 1557 00:51:08,148 --> 00:51:09,024 我們的宇宙 1558 00:51:09,024 --> 00:51:10,442 也是從重力 、 密度 1559 00:51:10,442 --> 00:51:13,028 時空曲率無窮大的 「 奇異點 」 誕生的 1560 00:51:13,028 --> 00:51:14,196 而且很有可能 1561 00:51:14,196 --> 00:51:15,697 就是裸奇異點 1562 00:51:15,697 --> 00:51:19,034 然而目前物理學也還無法有效描述它的本質 1563 00:51:19,034 --> 00:51:21,870 我們自然也無法得知宇宙如何誕生 1564 00:51:21,870 --> 00:51:24,331 或者是否有誕生之前的狀態 1565 00:51:24,331 --> 00:51:26,541 最後 回到我們的黑洞旅程 1566 00:51:26,541 --> 00:51:28,418 在越過黑洞的事件視界後 1567 00:51:28,418 --> 00:51:31,588 所有事物終將無可避免地墜入奇異點 1568 00:51:31,588 --> 00:51:32,672 即使我們的裝備 1569 00:51:32,672 --> 00:51:34,883 可以幫助你隔絕吸積盤的輻射 1570 00:51:34,883 --> 00:51:36,635 抵抗強大的潮汐力 1571 00:51:36,635 --> 00:51:39,721 但我們最終的結局依然是落入奇異點 1572 00:51:39,721 --> 00:51:40,847 徹底粉碎消失 1573 00:51:40,847 --> 00:51:42,307 等等 真的是這樣嗎 1574 00:51:42,307 --> 00:51:43,391 落入黑洞的我們 1575 00:51:43,391 --> 00:51:45,018 只能迎向空寂的結局 1576 00:51:45,018 --> 00:51:46,895 絲毫沒有逃脫的可能性嗎 1577 00:51:47,104 --> 00:51:48,063 你有沒有懷疑過 1578 00:51:48,063 --> 00:51:49,564 這個世界可能不是真實的 1579 00:51:49,564 --> 00:51:51,900 我們可能生活在 《 駭客任務 》 的世界裡 1580 00:51:51,900 --> 00:51:52,901 而我們自身 1581 00:51:52,901 --> 00:51:54,569 只是一組組虛擬的程式碼呢 1582 00:51:54,736 --> 00:51:56,905 這不只是毫無根據的科幻想像 1583 00:51:56,905 --> 00:51:58,156 物理學家也提出了 1584 00:51:58,156 --> 00:51:59,491 「 全像原理 」（holographic principle） 1585 00:51:59,491 --> 00:52:00,492 他們想 1586 00:52:00,492 --> 00:52:02,702 會不會我們的宇宙本身也是類似的 1587 00:52:02,702 --> 00:52:04,287 資訊編碼結構呢 1588 00:52:04,287 --> 00:52:06,498 看似發生在三維空間裡的一切 1589 00:52:06,498 --> 00:52:09,167 其實都可以被編碼在二維的邊界 1590 00:52:09,167 --> 00:52:11,169 也就是宇宙最外層的表面呢 1591 00:52:11,169 --> 00:52:14,172 霍金也在 《 胡桃裡的宇宙 》 這本書最後 1592 00:52:14,172 --> 00:52:15,340 寫下提問 1593 00:52:15,340 --> 00:52:17,509 我們是否只是一組全像照片 1594 00:52:17,509 --> 00:52:19,511 宇宙則是把 2D 「 全像照片 」 1595 00:52:19,511 --> 00:52:21,346 投影成 3D 的結果 1596 00:52:21,346 --> 00:52:23,515 但這些科學家為什麼會這麼想不開 1597 00:52:23,515 --> 00:52:23,890 呃 1598 00:52:23,890 --> 00:52:25,267 或是想太開呢 1599 00:52:25,267 --> 00:52:27,227 這一切都源自於物理學家們 1600 00:52:27,227 --> 00:52:30,063 研究了那個宇宙中最奇妙的東西 1601 00:52:30,063 --> 00:52:30,981 黑洞 1602 00:52:30,981 --> 00:52:33,024 在那裏不只物質會粉碎 1603 00:52:33,024 --> 00:52:34,609 相對論和量子力學 1604 00:52:34,609 --> 00:52:36,153 似乎也受到了衝擊 1605 00:52:36,153 --> 00:52:38,697 兩者都不能完整的解釋黑洞 1606 00:52:38,697 --> 00:52:40,699 霍金與一眾的科學家 1607 00:52:40,699 --> 00:52:43,410 則提出各種新觀點來研究它 1608 00:52:43,410 --> 00:52:44,619 可以說研究黑洞 1609 00:52:44,619 --> 00:52:47,455 就能讓我們離這世界的真實更近一步 1610 00:52:47,455 --> 00:52:50,458 上一集 我們介紹了從黑洞外面落入黑洞 1611 00:52:50,458 --> 00:52:51,793 會體驗到什麼感受 1612 00:52:51,793 --> 00:52:53,962 而現在 我們要認真看看 1613 00:52:53,962 --> 00:52:55,297 為什麼科學家認為 1614 00:52:55,297 --> 00:52:57,841 黑洞暗藏了整個宇宙的真相 1615 00:53:01,469 --> 00:53:03,013 你知道黑洞有多可怕嗎 1616 00:53:03,013 --> 00:53:04,848 上一集 我們帶你體驗過 1617 00:53:04,848 --> 00:53:07,058 一旦有物體跨越過事件視界後 1618 00:53:07,058 --> 00:53:08,351 強大的重力場 1619 00:53:08,351 --> 00:53:11,229 將促使物體無可避免地墜入深淵 1620 00:53:11,229 --> 00:53:13,732 墜往密度無限大的 「 奇異點 」 1621 00:53:13,732 --> 00:53:16,359 在那裏 強大的重力會粉碎一切 1622 00:53:16,359 --> 00:53:18,987 人也好 、 筆電也好 、 整座圖書館也好 1623 00:53:18,987 --> 00:53:21,156 大至比太陽巨大數萬倍的恆星 1624 00:53:21,156 --> 00:53:23,491 小至你身上的原子和電子 1625 00:53:23,491 --> 00:53:25,202 這一切被黑洞吞噬後 1626 00:53:25,202 --> 00:53:26,369 都會被粉碎 1627 00:53:26,536 --> 00:53:28,163 從事件視界外部觀察 1628 00:53:28,163 --> 00:53:31,374 黑洞只留下三個可被偵測的物理量 1629 00:53:31,374 --> 00:53:32,876 第一個是 「 質量 」 1630 00:53:32,876 --> 00:53:35,170 它決定了時空的彎曲程度 1631 00:53:35,170 --> 00:53:36,713 第二是 「 角動量 」 1632 00:53:36,713 --> 00:53:38,673 相當於黑洞自轉的程度 1633 00:53:38,673 --> 00:53:40,425 就像一顆快速旋轉的球體 1634 00:53:40,425 --> 00:53:42,052 會攪動周圍水流 1635 00:53:42,052 --> 00:53:44,596 黑洞的旋轉也會拖曳附近的時空 1636 00:53:44,596 --> 00:53:46,514 讓我們能回推角動量 1637 00:53:46,514 --> 00:53:48,350 第三個則是總電荷 1638 00:53:48,350 --> 00:53:50,602 所有帶電粒子掉入黑洞後 1639 00:53:50,602 --> 00:53:53,688 雖然彼此間的排列與運動方式會被遺忘 1640 00:53:53,688 --> 00:53:56,942 但整體電荷量仍會以電場形式保留下來 1641 00:53:56,942 --> 00:53:58,360 至於其他物理量 1642 00:53:58,360 --> 00:54:00,779 都無法在黑洞外部留下痕跡 1643 00:54:00,779 --> 00:54:01,404 例如磁場 1644 00:54:01,404 --> 00:54:03,156 因為是帶電粒子的產物 1645 00:54:03,156 --> 00:54:04,324 而非電荷本身 1646 00:54:04,324 --> 00:54:05,951 最終也會被抹除 1647 00:54:06,159 --> 00:54:08,328 總之一旦物質落入黑洞後 1648 00:54:08,328 --> 00:54:11,039 所有的資訊都將被事件視界吞噬 1649 00:54:11,039 --> 00:54:13,208 只剩下質量 、 電荷 、 角動量 1650 00:54:13,208 --> 00:54:14,542 三個數字能描述 1651 00:54:14,542 --> 00:54:15,543 再說一次 1652 00:54:15,543 --> 00:54:16,962 落入的所有物質 1653 00:54:16,962 --> 00:54:18,213 包含黑洞本身 1654 00:54:18,213 --> 00:54:20,006 不管它生前是皮卡丘 1655 00:54:20,006 --> 00:54:21,800 哥吉拉 還是一整顆地球 1656 00:54:21,800 --> 00:54:24,678 最後所有的 「 特徵 」 都將不復存在 1657 00:54:24,678 --> 00:54:26,513 它不會是球體 立方體 1658 00:54:26,513 --> 00:54:29,057 也不會有任何的紋路 任何凸起 1659 00:54:29,057 --> 00:54:30,892 整個黑洞從外觀看來 1660 00:54:30,892 --> 00:54:32,727 是極度對稱 光滑 1661 00:54:32,727 --> 00:54:35,313 無任何紋理的一團深淵 1662 00:54:35,313 --> 00:54:36,606 一根毛都沒有 1663 00:54:36,606 --> 00:54:38,400 這就是黑洞的 「 無毛定理 」 1664 00:54:38,400 --> 00:54:39,484 在日常生活中 1665 00:54:39,484 --> 00:54:40,735 物質往往不會 「 消失 」 1666 00:54:40,735 --> 00:54:42,153 而是改變 「 形態 」 1667 00:54:42,153 --> 00:54:45,282 比如一張紙燃燒後並不會完全消失 1668 00:54:45,282 --> 00:54:47,325 而會轉化成熱量與灰燼 1669 00:54:47,325 --> 00:54:50,078 當你對一張手機照片按下 「 永久刪除 」 鍵 1670 00:54:50,078 --> 00:54:51,663 資訊依然存在 1671 00:54:51,663 --> 00:54:52,998 只是變成了另一種 1672 00:54:52,998 --> 00:54:54,833 我們可能無法辨識的形式 1673 00:54:54,833 --> 00:54:57,419 而在量子力學中具有 「 么正性 」 1674 00:54:57,419 --> 00:54:58,795 這什麼意思呢 1675 00:54:58,795 --> 00:54:59,587 你還記得嗎 1676 00:54:59,587 --> 00:55:01,423 量子熊系列的第一季有提到 1677 00:55:01,423 --> 00:55:03,925 我們通常無法精準描述一個電子 1678 00:55:03,925 --> 00:55:06,303 在一個準確時間的準確位置 1679 00:55:06,303 --> 00:55:08,263 而必須用波函數來表達 1680 00:55:08,263 --> 00:55:11,266 可以想像成它出現在不同地方的機率 1681 00:55:11,266 --> 00:55:13,893 但不論波函數如何隨著時間演化 1682 00:55:13,893 --> 00:55:15,478 也就是電子跑來跑去 1683 00:55:15,478 --> 00:55:17,105 跟其他東西互動時 1684 00:55:17,105 --> 00:55:19,941 它在同一個空間內出現的機率加總 1685 00:55:19,941 --> 00:55:22,110 永遠都必須是 100 % 1686 00:55:22,110 --> 00:55:24,404 就像一塊黏土再怎麼揉捏 1687 00:55:24,404 --> 00:55:25,488 改變它的形狀 1688 00:55:25,488 --> 00:55:27,574 它的總重量還是一樣的 1689 00:55:27,574 --> 00:55:30,785 而且只要事前知道如何揉捏這塊黏土 1690 00:55:30,785 --> 00:55:32,120 我們總是能預測出 1691 00:55:32,120 --> 00:55:34,289 這塊黏土最後變成什麼形狀 1692 00:55:34,289 --> 00:55:36,666 相反的 如果我們知道成品的樣貌 1693 00:55:36,666 --> 00:55:38,460 以及它是怎麼被揉捏的 1694 00:55:38,460 --> 00:55:41,296 我們就能回推黏土一開始是什麼樣子 1695 00:55:41,296 --> 00:55:43,548 這就是量子力學的 「 可逆性 」 1696 00:55:43,548 --> 00:55:44,466 意思就是說 1697 00:55:44,466 --> 00:55:46,301 只要我們知道目前的狀態 1698 00:55:46,301 --> 00:55:48,720 就必然能得知以前的狀態 1699 00:55:48,720 --> 00:55:51,056 即使把一份檔案燒成灰燼 1700 00:55:51,056 --> 00:55:53,683 或是被薩諾斯的彈指化成灰 1701 00:55:53,683 --> 00:55:56,519 如果你有能力操控煙霧中的每一個粒子 1702 00:55:56,519 --> 00:55:58,605 能量 位置等狀態 1703 00:55:58,605 --> 00:56:01,733 「 理論上 」 都還是能重建回原本的樣貌 1704 00:56:01,733 --> 00:56:03,610 當然難度來說幾乎是不可能 1705 00:56:03,610 --> 00:56:06,738 因此 么正性和可逆性告訴我們 1706 00:56:06,738 --> 00:56:07,947 在量子力學中 1707 00:56:07,947 --> 00:56:09,532 資訊是守恆的 1708 00:56:09,532 --> 00:56:10,950 這就像一塊黏土 1709 00:56:10,950 --> 00:56:12,452 在揉捏的過程中 1710 00:56:12,452 --> 00:56:15,205 總質量應該從頭到尾都要保持一致 1711 00:56:15,205 --> 00:56:16,331 但重點來了 1712 00:56:16,331 --> 00:56:18,166 如果黑洞真的那麼可怕 1713 00:56:18,166 --> 00:56:19,918 也就是無毛定理說的 1714 00:56:19,918 --> 00:56:22,379 能把所有資訊都 「 格式化 」 1715 00:56:22,379 --> 00:56:24,923 只留下質量 電荷 角動量 1716 00:56:24,923 --> 00:56:28,551 我們還有辦法回推這個物體原先的樣子嗎 1717 00:56:28,551 --> 00:56:30,553 如果資訊真的消失了 1718 00:56:30,553 --> 00:56:33,223 難道代表黑洞違反量子力學 1719 00:56:33,223 --> 00:56:35,433 先等等 要聊資訊的增減 1720 00:56:35,433 --> 00:56:37,143 還得提提天能電影裡面 1721 00:56:37,143 --> 00:56:38,436 最重要的那個字 1722 00:56:38,436 --> 00:56:39,020 熵 1723 00:56:39,020 --> 00:56:40,814 在天能中 控制熵 1724 00:56:40,814 --> 00:56:42,440 就能控制時間的流向 1725 00:56:42,440 --> 00:56:43,441 逆轉時空 1726 00:56:43,441 --> 00:56:44,442 所謂的熵 1727 00:56:44,442 --> 00:56:46,444 是用來描述微觀尺度下 1728 00:56:46,444 --> 00:56:48,321 粒子混亂 失序的程度 1729 00:56:48,321 --> 00:56:49,948 在熱力學第二定律中 1730 00:56:49,948 --> 00:56:52,158 孤立系統中的 「 熵 」 不會減少 1731 00:56:52,158 --> 00:56:53,743 用宏觀的視角來說 1732 00:56:53,743 --> 00:56:55,829 就像灑落地上的咖啡 1733 00:56:55,829 --> 00:56:59,707 它的熵會比原本在桌上杯子裡的狀態多更多 1734 00:56:59,707 --> 00:57:02,627 而且要從高熵 「 自動回歸 」 低熵的狀態 1735 00:57:02,627 --> 00:57:03,711 是不可能的 1736 00:57:03,711 --> 00:57:06,714 你的房間在沒有外力跟媽媽介入的情況之下 1737 00:57:06,714 --> 00:57:07,715 只會變得更亂 1738 00:57:07,715 --> 00:57:08,550 不會突然有天 1739 00:57:08,550 --> 00:57:10,677 衣服 書本自動回到櫃子裡 1740 00:57:10,844 --> 00:57:12,512 花會凋謝 人會衰老 1741 00:57:12,512 --> 00:57:13,555 鋼筋也會生鏽 1742 00:57:13,596 --> 00:57:15,515 這些如果從微觀的角度來看 1743 00:57:15,515 --> 00:57:16,266 你會發現 1744 00:57:16,266 --> 00:57:18,685 時間總是朝著 「 失序 」 的方向前進 1745 00:57:18,685 --> 00:57:21,896 熱力學第二定律也因此被稱為 「 熵增定理 」 1746 00:57:21,896 --> 00:57:24,649 但是熵跟黑洞又有什麼關聯 1747 00:57:24,649 --> 00:57:27,485 剛才說了 把一份檔案燒成灰燼後 1748 00:57:27,485 --> 00:57:30,238 要恢復重建它 就難如登天了 1749 00:57:30,238 --> 00:57:32,323 這其實也是 「 熵增 」 的結果 1750 00:57:32,323 --> 00:57:34,075 同樣的 當落入黑洞 1751 00:57:34,075 --> 00:57:35,785 被摧毀的資訊愈多 1752 00:57:35,785 --> 00:57:37,078 熵也愈多 1753 00:57:37,078 --> 00:57:38,746 因此你可以把黑洞的 「 熵 」 1754 00:57:38,746 --> 00:57:41,249 想像成落入黑洞的 「 資訊 」 多寡 1755 00:57:41,249 --> 00:57:43,877 既然黑洞可以把各種東西吞噬 1756 00:57:43,877 --> 00:57:45,587 累積的熵一定很高吧 1757 00:57:45,587 --> 00:57:47,547 然而 無毛定理卻又說 1758 00:57:47,547 --> 00:57:48,965 黑洞如此的光滑 1759 00:57:48,965 --> 00:57:52,427 進去的資訊只留下了質量 電荷 角動量 1760 00:57:52,427 --> 00:57:53,803 其餘通通摧毀 1761 00:57:53,803 --> 00:57:56,890 難道黑洞能強大到把 「 熵 」 也消滅掉 1762 00:57:56,890 --> 00:57:58,475 違反熱力學第二定律了嗎 1763 00:57:58,475 --> 00:57:59,267 黑洞啊黑洞 1764 00:57:59,267 --> 00:58:00,935 物理學家真的是不懂你啊 1765 00:58:00,935 --> 00:58:03,021 為了解決這個棘手問題 1766 00:58:03,021 --> 00:58:04,189 那個男人出手了 1767 00:58:04,189 --> 00:58:04,981 它就是愛因... 1768 00:58:04,981 --> 00:58:05,857 不對 1769 00:58:05,857 --> 00:58:07,108 這次是另外一個男人 1770 00:58:07,108 --> 00:58:08,610 霍金 1771 00:58:13,114 --> 00:58:14,115 為了瞭解黑洞 1772 00:58:14,115 --> 00:58:16,784 物理學家們投入了 「 黑洞熱力學 」 的研究 1773 00:58:16,784 --> 00:58:19,954 如果黑洞真的能把熵也吞噬掉 1774 00:58:19,954 --> 00:58:22,165 黑洞就違反了熱力學第二定律 1775 00:58:22,165 --> 00:58:23,208 但如果我們認為 1776 00:58:23,208 --> 00:58:25,251 黑洞並沒有違反這條鐵律 1777 00:58:25,251 --> 00:58:28,129 就代表黑洞內部會存有很高的熵 1778 00:58:28,129 --> 00:58:29,297 然而根據熱力學 1779 00:58:29,297 --> 00:58:30,840 有熵的物體 1780 00:58:30,840 --> 00:58:32,967 就應該釋放出黑體輻射 1781 00:58:32,967 --> 00:58:35,178 但黑洞裡面連光都無法逃脫 1782 00:58:35,178 --> 00:58:37,263 我們根本觀察不到黑體輻射 1783 00:58:37,263 --> 00:58:38,556 這樣不就矛盾了嗎 1784 00:58:38,556 --> 00:58:41,935 1974 年史蒂芬 · 霍金計算出了解答 1785 00:58:41,935 --> 00:58:45,271 霍金說 ： 黑洞確實會釋放輻射 1786 00:58:45,271 --> 00:58:46,940 你可能聽過這種說法 1787 00:58:46,940 --> 00:58:48,191 根據量子場論 1788 00:58:48,191 --> 00:58:49,317 在微觀尺度下 1789 00:58:49,317 --> 00:58:51,653 真空中不斷有粒子與反粒子 1790 00:58:51,653 --> 00:58:54,322 以對的形式瞬間生成並湮滅 1791 00:58:54,322 --> 00:58:56,282 我們可以想像這些 「 虛粒子對 」 1792 00:58:56,282 --> 00:58:58,618 可能是電子與正電子 1793 00:58:58,618 --> 00:58:59,827 或是一對光子 1794 00:58:59,827 --> 00:59:00,995 它們無中生有 1795 00:59:00,995 --> 00:59:02,455 但會瞬間消失 1796 00:59:02,455 --> 00:59:04,749 這種現象發生在整個空間中 1797 00:59:04,749 --> 00:59:06,417 當然也包含黑洞附近 1798 00:59:06,417 --> 00:59:08,169 如果剛好一對虛粒子對 1799 00:59:08,169 --> 00:59:10,046 出現在事件視界的邊緣 1800 00:59:10,046 --> 00:59:12,173 其中一個粒子落入黑洞 1801 00:59:12,173 --> 00:59:14,050 另一個粒子則逃逸而出 1802 00:59:14,050 --> 00:59:16,344 那麼這就會在外部觀察者眼中 1803 00:59:16,344 --> 00:59:17,804 形成一種輻射現象 1804 00:59:17,804 --> 00:59:18,846 利用這種方式 1805 00:59:18,846 --> 00:59:20,640 黑洞可以不斷生成輻射 1806 00:59:20,640 --> 00:59:21,724 並向外發出 1807 00:59:21,724 --> 00:59:23,851 讓黑洞不違反熱力學第二定律 1808 00:59:23,851 --> 00:59:25,937 這個輻射就是 「 霍金輻射 」 1809 00:59:25,937 --> 00:59:27,230 但請特別注意 1810 00:59:27,230 --> 00:59:30,024 「 虛粒子對被撕裂 」 這個解釋 1811 00:59:30,024 --> 00:59:31,943 並非霍金本人當初的理論 1812 00:59:31,943 --> 00:59:34,320 而是後人為了讓大眾理解這個現象 1813 00:59:34,320 --> 00:59:36,781 所提出的一種直觀比喻 1814 00:59:36,781 --> 00:59:38,866 雖然好懂 但也有點誤導 1815 00:59:38,866 --> 00:59:41,452 實際上 霍金是從量子場論出發 1816 00:59:41,452 --> 00:59:43,830 計算量子場在黑洞時空中的行為 1817 00:59:43,830 --> 00:59:45,540 他發現 外部觀察者 1818 00:59:45,540 --> 00:59:47,959 會看到類似黑體輻射的粒子流出現 1819 00:59:47,959 --> 00:59:49,252 在量子場論中 1820 00:59:49,252 --> 00:59:51,629 「 真空 」 並不是什麼都沒有的空白 1821 00:59:51,629 --> 00:59:53,548 而是一種表面靜止 1822 00:59:53,548 --> 00:59:56,342 實際上充滿微小量子漲落的場域 1823 00:59:56,342 --> 00:59:59,762 這些漲落由量子場的振動模態所組成 1824 00:59:59,762 --> 01:00:02,223 分為正頻率與負頻率兩種 1825 01:00:02,223 --> 01:00:05,059 正頻率模態可以視為 「 物質粒子 」 1826 01:00:05,059 --> 01:00:08,187 負頻率模態則可以理解為 「 反物質粒子 」 1827 01:00:08,187 --> 01:00:09,439 在平坦時空中 1828 01:00:09,439 --> 01:00:12,483 這些正負模態彼此平衡 、 互相抵消 1829 01:00:12,483 --> 01:00:14,569 因此真空看起來就是 「 空的 」 1830 01:00:14,569 --> 01:00:16,070 然而當黑洞形成時 1831 01:00:16,070 --> 01:00:18,531 周圍的時空發生劇烈彎曲 1832 01:00:18,531 --> 01:00:19,741 這種平衡被破壞 1833 01:00:19,741 --> 01:00:21,618 尤其在事件視界附近 1834 01:00:21,618 --> 01:00:22,744 部分振動模態 1835 01:00:22,744 --> 01:00:25,371 會被時空幾何 「 散射 」 進黑洞內部 1836 01:00:25,371 --> 01:00:27,248 而其他模態則得以逃逸 1837 01:00:27,248 --> 01:00:28,916 這導致原本的真空 1838 01:00:28,916 --> 01:00:30,627 在遙遠的觀察者眼中 1839 01:00:30,627 --> 01:00:31,753 不再是 「 空的 」 1840 01:00:31,753 --> 01:00:33,421 而是出現了粒子流 1841 01:00:33,421 --> 01:00:35,089 也就是熱輻射的樣貌 1842 01:00:35,089 --> 01:00:36,924 因此霍金輻射的本質 1843 01:00:36,924 --> 01:00:39,052 不是某個粒子跳出黑洞表面 1844 01:00:39,052 --> 01:00:40,303 而是時空曲率 1845 01:00:40,303 --> 01:00:43,389 讓整個量子真空的振動模式重新組合 1846 01:00:43,389 --> 01:00:44,766 在遠處觀察起來 1847 01:00:44,766 --> 01:00:46,267 就像是黑洞在發光一樣 1848 01:00:46,267 --> 01:00:47,602 霍金還推導出 1849 01:00:47,602 --> 01:00:49,187 霍金輻射的波長大小 1850 01:00:49,187 --> 01:00:50,647 與黑洞尺寸有關 1851 01:00:50,647 --> 01:00:53,191 小黑洞發出高能短波長輻射 1852 01:00:53,191 --> 01:00:55,318 大黑洞則發出長波長 1853 01:00:55,318 --> 01:00:56,611 低能量的輻射 1854 01:00:56,611 --> 01:00:59,030 看起來比較冷 也輻射得比較慢 1855 01:00:59,030 --> 01:01:02,116 但既然這種輻射會從黑洞中釋放出能量 1856 01:01:02,116 --> 01:01:04,452 能量又來自於質量 1857 01:01:04,744 --> 01:01:08,081 那就代表黑洞的質量會隨時間慢慢減少 1858 01:01:08,581 --> 01:01:10,792 你總不可能一直從銀行領錢 1859 01:01:10,792 --> 01:01:13,127 戶頭內的金額卻完全沒有減少吧 1860 01:01:13,127 --> 01:01:13,961 這也表示 1861 01:01:13,961 --> 01:01:17,465 當黑洞的質量因為發出霍金輻射慢慢減少 1862 01:01:17,465 --> 01:01:19,467 最終將消失殆盡 1863 01:01:19,467 --> 01:01:22,470 這個過程就像是一點一滴被蒸散一樣 1864 01:01:22,470 --> 01:01:24,305 因此被稱為 「 黑洞蒸發 」 1865 01:01:24,305 --> 01:01:25,932 當然 由於蒸發的過程 1866 01:01:25,932 --> 01:01:28,267 來自微觀尺度下的量子漲落 1867 01:01:28,267 --> 01:01:30,395 所需的時間會相當長 1868 01:01:30,395 --> 01:01:32,814 大約是 1 後面接 66 個零 1869 01:01:32,814 --> 01:01:35,108 到 90 個零那麼多年的時間 1870 01:01:35,108 --> 01:01:38,027 愈大質量的黑洞會需要越久的時間 1871 01:01:38,027 --> 01:01:39,987 「 霍金輻射 」 可說是霍金本人 1872 01:01:39,987 --> 01:01:41,823 畢生最重要的研究成果 1873 01:01:41,823 --> 01:01:43,950 這也讓物理學家開始意識到 1874 01:01:43,950 --> 01:01:46,285 黑洞某些難以解釋的性質 1875 01:01:46,285 --> 01:01:48,079 可能需要結合廣義相對論 1876 01:01:48,079 --> 01:01:50,081 與量子力學來一起解答 1877 01:01:50,081 --> 01:01:51,541 回到一開始的問題 1878 01:01:51,541 --> 01:01:54,669 霍金輻射解決了黑洞熵的問題 1879 01:01:54,669 --> 01:01:56,921 但這能告訴我們掉入黑洞的資訊 1880 01:01:56,921 --> 01:01:58,172 究竟去哪了嗎 1881 01:02:02,343 --> 01:02:03,261 你可能會說 1882 01:02:03,261 --> 01:02:05,138 既然黑洞會釋放出輻射 1883 01:02:05,138 --> 01:02:06,347 那麼掉入的資訊 1884 01:02:06,347 --> 01:02:08,474 不就跟著霍金輻射釋放出來了 1885 01:02:08,474 --> 01:02:10,560 就跟把檔案燒成灰燼一樣 1886 01:02:10,560 --> 01:02:13,020 資訊還存在 只是改變了形態而已 1887 01:02:13,020 --> 01:02:13,688 對吧 1888 01:02:13,688 --> 01:02:14,689 然而別忘了 1889 01:02:14,689 --> 01:02:17,483 霍金輻射雖然會從黑洞中釋出粒子 1890 01:02:17,483 --> 01:02:18,526 但這些粒子 1891 01:02:18,526 --> 01:02:21,821 並不是直接來自原本掉進黑洞的那些物質 1892 01:02:21,821 --> 01:02:24,490 而是來自於事件視界附近時空中 1893 01:02:24,490 --> 01:02:26,117 量子場的重新排列 1894 01:02:26,117 --> 01:02:28,703 讓我們看到粒子 「 憑空出現 」 1895 01:02:28,703 --> 01:02:31,539 也就是說即使霍金輻射真的存在 1896 01:02:31,539 --> 01:02:34,959 輻射出來的也不是那些曾經被吞噬掉的資訊 1897 01:02:34,959 --> 01:02:38,546 所以 落入黑洞的資訊究竟何去何從 1898 01:02:38,546 --> 01:02:41,215 這依然是 「 黑洞資訊悖論 」 的難題 1899 01:02:41,215 --> 01:02:42,508 1970 年代初 1900 01:02:42,508 --> 01:02:44,093 霍金從廣義相對論 1901 01:02:44,093 --> 01:02:46,596 證明了一項關於黑洞的重要事實 1902 01:02:46,596 --> 01:02:48,181 當兩個黑洞合併 1903 01:02:48,181 --> 01:02:50,975 合併後的新黑洞的事件視界面積 1904 01:02:50,975 --> 01:02:52,226 一定不會小於 1905 01:02:52,226 --> 01:02:55,605 原來兩個黑洞事件視界個別面積的總和 1906 01:02:55,605 --> 01:02:58,399 這和平常遇到的事物可能有些不同 1907 01:02:58,399 --> 01:03:01,194 例如兩滴雨水融合後 1908 01:03:01,194 --> 01:03:02,945 總表面積可能會減少 1909 01:03:02,945 --> 01:03:04,197 這很重要嗎 1910 01:03:04,197 --> 01:03:06,574 對物理學家來說 這非常重要 1911 01:03:06,574 --> 01:03:08,451 這代表黑洞擁有某種 1912 01:03:08,451 --> 01:03:09,994 永不減少的屬性 1913 01:03:09,994 --> 01:03:12,079 這種性質 在熱力學中 1914 01:03:12,079 --> 01:03:13,623 我們早就很熟悉了 1915 01:03:13,623 --> 01:03:16,000 它就是剛才剛提過的 「 熵 」 1916 01:03:16,000 --> 01:03:17,835 熱力學第二定律告訴我們 1917 01:03:17,835 --> 01:03:20,963 封閉系統的熵只會增加 不會減少 1918 01:03:21,255 --> 01:03:21,964 這個時候 1919 01:03:21,964 --> 01:03:24,258 與霍金同時期的另一位物理學家 1920 01:03:24,258 --> 01:03:25,802 雅各布 · 貝肯斯坦 1921 01:03:25,802 --> 01:03:27,428 他大膽提出一個想法 1922 01:03:27,428 --> 01:03:29,847 掉入黑洞的熵不會消失 1923 01:03:29,847 --> 01:03:30,890 它存在 1924 01:03:30,890 --> 01:03:33,893 而且與事件視界的表面積成正比 1925 01:03:33,893 --> 01:03:36,103 這個想法對應熱力學第二定律 1926 01:03:36,103 --> 01:03:38,606 被稱為 「 黑洞熱力學第二定律 」 1927 01:03:38,606 --> 01:03:39,565 你想想看 1928 01:03:39,565 --> 01:03:42,068 當你把一杯熱咖啡丟進黑洞 1929 01:03:42,068 --> 01:03:43,027 黑洞吞噬後 1930 01:03:43,027 --> 01:03:46,113 我們宇宙中 「 可見 」 的熵確實是減少了 1931 01:03:46,113 --> 01:03:48,241 但是因為黑洞吞噬了咖啡 1932 01:03:48,241 --> 01:03:49,659 它的質量增加了 1933 01:03:49,951 --> 01:03:52,286 質量增加 黑洞半徑就會增加 1934 01:03:52,286 --> 01:03:54,747 事件視界表面積也會跟著增加 1935 01:03:54,747 --> 01:03:56,541 如果這個增加的表面積 1936 01:03:56,541 --> 01:03:58,626 就等同於黑洞增加的熵 1937 01:03:58,626 --> 01:04:00,670 那麼只要這個增加的 「 黑洞熵 」 1938 01:04:00,670 --> 01:04:03,548 大於或等於咖啡本身帶有的熵 1939 01:04:03,548 --> 01:04:06,676 那麼宇宙的總熵就依然是永不減少的 1940 01:04:06,676 --> 01:04:08,427 哇 我們又能放心地說 1941 01:04:08,427 --> 01:04:09,637 熱力學第二定律 1942 01:04:09,637 --> 01:04:11,430 能繼續適用於整個宇宙了 1943 01:04:11,430 --> 01:04:12,974 但這其實很怪啊 1944 01:04:12,974 --> 01:04:13,516 你看 1945 01:04:13,516 --> 01:04:15,226 你家衣櫃的儲存容量 1946 01:04:15,226 --> 01:04:17,144 應該與體積成正比才對吧 1947 01:04:17,144 --> 01:04:18,479 而不是表面積 1948 01:04:18,479 --> 01:04:19,522 如果黑洞的熵 1949 01:04:19,522 --> 01:04:21,858 與黑洞視界的 「 表面積 」 成正比 1950 01:04:21,858 --> 01:04:22,942 這可能意味著 1951 01:04:22,942 --> 01:04:24,485 落入黑洞的資訊 1952 01:04:24,485 --> 01:04:27,363 很可能就儲存在事件視界的表面上 1953 01:04:27,363 --> 01:04:28,656 而不是黑洞中 1954 01:04:28,656 --> 01:04:30,825 如果宇宙真的是這樣運作 1955 01:04:30,825 --> 01:04:33,035 那麼黑洞資訊悖論就可以被解決了 1956 01:04:33,035 --> 01:04:34,829 還記得我們上一集提到的 1957 01:04:34,829 --> 01:04:36,038 如果你掉入黑洞 1958 01:04:36,038 --> 01:04:37,331 會發生什麼事嗎 1959 01:04:37,331 --> 01:04:39,166 對黑洞之外的觀察者來說 1960 01:04:39,166 --> 01:04:40,501 落入黑洞的物體 1961 01:04:40,501 --> 01:04:42,128 會 「 滯留 」 在視界表面 1962 01:04:42,128 --> 01:04:44,088 直到紅移並逐漸抹去 1963 01:04:44,088 --> 01:04:44,922 現在 1964 01:04:44,922 --> 01:04:47,800 我們重新把觀測者視角與落入者視角 1965 01:04:47,800 --> 01:04:49,468 套用到黑洞資訊悖論 1966 01:04:49,468 --> 01:04:50,469 那麼就會是 1967 01:04:50,469 --> 01:04:52,305 對於外部觀察者來說 1968 01:04:52,305 --> 01:04:54,932 落入黑洞的資訊看起來被定格 1969 01:04:54,932 --> 01:04:57,018 編碼在事件視界表面 1970 01:04:57,018 --> 01:04:58,853 之後透過霍金輻射 1971 01:04:58,853 --> 01:05:01,480 逐漸把資訊重新釋放到黑洞外頭 1972 01:05:01,480 --> 01:05:03,190 所以不會違反資訊悖論 1973 01:05:03,190 --> 01:05:04,734 或是熱力學第二定律 1974 01:05:04,734 --> 01:05:06,694 對於落入黑洞的觀察者呢 1975 01:05:06,694 --> 01:05:09,780 資訊一樣會隨著自己與物體穿過視界 1976 01:05:09,780 --> 01:05:11,032 進入黑洞內部 1977 01:05:11,032 --> 01:05:12,700 不會違反任何事情 1978 01:05:12,700 --> 01:05:14,410 內外兩種視角 「 互補 」 1979 01:05:14,410 --> 01:05:16,162 也就是資訊以不同形式 1980 01:05:16,162 --> 01:05:18,915 在不同觀測者的世界中同時存在 1981 01:05:18,915 --> 01:05:20,041 從未消失 1982 01:05:20,041 --> 01:05:21,375 這個看似完美解釋 1983 01:05:21,375 --> 01:05:23,711 落入黑洞的資訊何去何從的理論 1984 01:05:23,711 --> 01:05:26,005 又被稱為黑洞互補原理 1985 01:05:26,005 --> 01:05:29,008 到這裡 黑洞資訊的問題看似解決了 1986 01:05:29,008 --> 01:05:31,552 物理學家又能安心躺下睡覺 1987 01:05:31,552 --> 01:05:33,054 欣賞這個雖然神祕 1988 01:05:33,054 --> 01:05:34,221 但設計巧妙 1989 01:05:34,221 --> 01:05:36,057 令人感嘆其美麗的宇宙 1990 01:05:36,057 --> 01:05:36,891 先等一下 1991 01:05:36,891 --> 01:05:37,975 物理學家想到這裡 1992 01:05:37,975 --> 01:05:39,310 怎麼可能睡得著 1993 01:05:39,310 --> 01:05:40,561 這全新的視角 1994 01:05:40,561 --> 01:05:42,730 似乎會改寫我們對宇宙的認知 1995 01:05:42,730 --> 01:05:44,523 甚至是我們存在的意義啊 1996 01:05:44,523 --> 01:05:46,233 我們本來以為黑洞的 「 內部 」 1997 01:05:46,233 --> 01:05:47,693 才儲存所有資訊 1998 01:05:47,693 --> 01:05:50,780 但貝肯斯坦的黑洞熱力學第二定律被提出後 1999 01:05:50,780 --> 01:05:53,032 我們知道看似三維的黑洞本體 2000 01:05:53,032 --> 01:05:56,077 卻只在二維的表面儲存了所有的資訊 2001 01:05:56,077 --> 01:05:57,578 所有落入黑洞的資訊 2002 01:05:57,578 --> 01:06:00,081 應該可以被保存在某種邊界 2003 01:06:00,081 --> 01:06:02,875 這概念最早由傑拉德 · 特 · 胡夫特 2004 01:06:02,875 --> 01:06:04,752 在 1993 年左右提出 2005 01:06:04,752 --> 01:06:06,587 隨後李奧納多 · 薩斯坎 2006 01:06:06,587 --> 01:06:08,756 結合黑洞熱力學與弦論 2007 01:06:08,756 --> 01:06:10,424 正式提出 「 全像原理 」 2008 01:06:10,424 --> 01:06:12,468 特 · 胡夫特是諾貝爾獎得主 2009 01:06:12,468 --> 01:06:14,804 薩斯坎是弦論創始人之一 2010 01:06:14,804 --> 01:06:16,931 兩個都是理論物理學界的大佬 2011 01:06:16,931 --> 01:06:18,933 學術貢獻並不比霍金少 2012 01:06:18,933 --> 01:06:21,102 全像原理大膽地猜測 2013 01:06:21,102 --> 01:06:22,770 會不會不止於黑洞 2014 01:06:22,770 --> 01:06:26,232 我們宇宙本身也是類似的資訊編碼結構呢 2015 01:06:26,232 --> 01:06:28,776 就像是一張包住宇宙的 「 全像照片 」 一樣 2016 01:06:28,776 --> 01:06:31,779 能把 2D 的資訊投影成 3D 的形態 2017 01:06:31,779 --> 01:06:35,616 而所有 3D 資訊其實都編碼在 2D 的照片裡 2018 01:06:35,616 --> 01:06:37,284 不知道這可怕在哪裡嗎 2019 01:06:37,284 --> 01:06:38,494 白話文就是說 2020 01:06:38,494 --> 01:06:39,620 真實的世界 2021 01:06:39,620 --> 01:06:42,498 可能只存在於宇宙的外層表面上 2022 01:06:42,498 --> 01:06:43,624 是二維的 2023 01:06:43,624 --> 01:06:46,544 我們平時所體驗到的 「 三維 」 現實 2024 01:06:46,544 --> 01:06:49,130 可能只是來自 「 二維 」 宇宙外層邊界 2025 01:06:49,130 --> 01:06:50,631 這層平面的投影 2026 01:06:50,631 --> 01:06:52,883 這就是為何霍金在他自己寫的 2027 01:06:52,883 --> 01:06:56,178 《 胡桃裡的宇宙 》 這本書的最後提出疑問 2028 01:06:56,178 --> 01:06:58,389 我們是否只是一組全像照片 2029 01:06:58,806 --> 01:07:00,307 聽起來很瘋 對吧 2030 01:07:00,307 --> 01:07:02,059 但這想法不是玄學 2031 01:07:02,059 --> 01:07:04,103 有數學基礎 有理論模型 2032 01:07:04,103 --> 01:07:05,771 你覺得真的會是這樣嗎 2033 01:07:05,771 --> 01:07:07,023 至於其他物理學家 2034 01:07:07,023 --> 01:07:08,899 對於宇宙更瘋狂的看法 2035 01:07:08,899 --> 01:07:11,652 我們在未來的節目中會再來詳細介紹 2036 01:07:11,652 --> 01:07:13,571 先留言告訴我們你怎麼看吧 2037 01:07:14,113 --> 01:07:15,698 從廣義相對論的奠基 2038 01:07:15,698 --> 01:07:17,491 黑洞熵與霍金輻射 2039 01:07:17,491 --> 01:07:19,535 再到今天介紹的全像原理 2040 01:07:19,535 --> 01:07:21,871 這不只是我們嘗試理解黑洞 2041 01:07:21,871 --> 01:07:24,165 更是物理學家理解宇宙的方法 2042 01:07:24,165 --> 01:07:25,624 以及尋找相對論 2043 01:07:25,624 --> 01:07:29,003 量子力學是否能整合成 「 統一理論 」 的進程 2044 01:07:29,003 --> 01:07:31,881 一個落入黑洞的資訊會何去何從 2045 01:07:31,881 --> 01:07:33,549 這個看似簡單的問題 2046 01:07:33,549 --> 01:07:36,010 卻可能解釋我們為什麼能存在 2047 01:07:36,010 --> 01:07:37,344 這次的量子熊系列 2048 01:07:37,344 --> 01:07:38,888 我們換了一個角度出發 2049 01:07:38,888 --> 01:07:40,514 不是從量子力學本身 2050 01:07:40,514 --> 01:07:42,933 而是從相對論的提出一路走來 2051 01:07:42,933 --> 01:07:46,771 最後與量子力學在黑洞的事件視界上面對面 2052 01:07:46,771 --> 01:07:48,355 看看不同理論之間 2053 01:07:48,355 --> 01:07:50,357 到底還有那些矛盾之處 2054 01:07:50,524 --> 01:07:53,527 而我們對世界的理解還缺了多少 2055 01:07:53,527 --> 01:07:55,196 但一切都還沒結束 2056 01:07:55,196 --> 01:07:57,364 我們似乎才剛從黑洞的入口 2057 01:07:57,364 --> 01:07:58,866 窺見到宇宙的奧秘 2058 01:07:58,866 --> 01:08:01,285 而這裡面似乎就像黑洞本身一樣 2059 01:08:01,285 --> 01:08:02,995 還藏了無盡的宇宙真實 2060 01:08:02,995 --> 01:08:04,538 等待我們去了解 2061 01:08:04,538 --> 01:08:06,415 黑洞中是否有出口 2062 01:08:06,415 --> 01:08:08,375 是否真有白洞的存在 2063 01:08:08,375 --> 01:08:10,377 宇宙中到底有沒有蟲洞 2064 01:08:10,377 --> 01:08:13,214 可以產生跨時空 跨宇宙的連結 2065 01:08:13,214 --> 01:08:15,216 我們能不能在大質量黑洞中 2066 01:08:15,216 --> 01:08:18,094 建造文明城市或找到外星生命 2067 01:08:18,094 --> 01:08:19,220 還有最關鍵的 2068 01:08:19,220 --> 01:08:22,556 能不能在黑洞找到統一理論的可能性 2069 01:08:22,556 --> 01:08:24,475 讓我們徹底了解這個宇宙 2070 01:08:24,475 --> 01:08:27,103 請繼續鎖定泛科學與量子熊的頻道 2071 01:08:27,103 --> 01:08:28,729 我們前往黑洞的旅途 2072 01:08:28,729 --> 01:08:30,189 還沒有結束 2073 01:08:30,189 --> 01:08:30,606 好的 2074 01:08:30,606 --> 01:08:33,067 以上就是量子熊系列第三季的最後一集內容 2075 01:08:33,067 --> 01:08:35,945 如果你想在最後一口氣複習量子力學的基礎 2076 01:08:35,945 --> 01:08:37,571 你可以點這裡來回顧 2077 01:08:37,571 --> 01:08:40,574 如果想看看量子電腦為什麼能打敗傳統電腦 2078 01:08:40,574 --> 01:08:41,700 可以點這裡 2079 01:08:41,700 --> 01:08:43,369 我們下次再見138444

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