思想的遠行
我的隨筆
序言 站在巨人的肩膀上
此時此刻，當你坐下來放鬆閱讀這本書時，你正在以不可思議的速度前進。地球在自轉，帶著我們走過一天又一天的無情時光。與此同時，地球也在圍繞太陽運轉，讓我們經曆四季的更替。
但這還不是全部。太陽隻是銀河係中的一顆恒星，銀河係由超過 1000 億顆恒星組成。這也是為什麽在合適的夜間合適的地點銀河係看上去星光燦爛。太陽並不獨特，也不在銀河係的中心。事實上，就恒星而言，它相當普通，毫不起眼。太陽係位於銀河係的一個小的旋轉似得臂彎中（說到旋轉，你看到什麽規律沒有？），這個臂彎被稱為獵戶臂，銀河係本身也是一個相當普通的螺旋形恒星島—它不大也不小。
這意味著除了地球自轉的速度和地球繞太陽運行的速度之外，我們還在以每小時 45 萬英裏的速度圍繞銀河中心運動。那麽，我們在銀河中心發現了什麽？一個超大質量的黑洞。
是的，現在，我們正圍繞著一個黑洞運行。黑洞是太空中的一個地方，裏麵擠壓著大量的物質，密度非常大，因此引力也非常大，甚至連以最快速度飛行的光都沒有足夠的能量在與黑洞引力的拉鋸戰中獲勝。幾十年來，黑洞的概念讓物理學家們既著迷又沮喪。在數學上，我們把黑洞描述為一個密度無限大、體積無限小的點，是一個我們可能無法了解的球體，因為我們無法從其中獲得光和信息。沒有信息就意味著沒有數據，沒有數據就意味著沒有實驗，沒有實驗就意味著不知道黑洞 "內部 "有什麽。
作為一名科學家，我們的目標總是要看到更廣闊的圖景。當我們把視野從太陽係的後院放大到整個銀河係，然後再放大到整個宇宙中數十億個其他星係時，我們會發現黑洞始終處於引力驅動的席位上。如果你對星係為什麽旋轉不解，至少你要知道是因為黑洞。銀河係中心的黑洞，也就是目前負責你在太空中運動的黑洞，比我們的太陽重約 400 萬倍，這就是它被稱為超大質量黑洞的原因。雖然聽起來很大，但我"見過"更大的。再說一遍，相對來說，銀河係的黑洞相當普通。它也沒有那麽大的質量、那麽強的能量或者那麽活躍，因此不容易被發現【1】。
我能把這些說法當作既定事實，認為它們是理所當然的，這一點非常了不起。直到二十世紀末，我們才終於意識到，在每個星係的中心都有一個超大質量黑洞；這提醒我們，雖然天文學是最古老的實踐之一，世界各地的古老文明都進行過，但天體物理學—實際上是解釋天文學家所看到的東西背後的物理學--仍然是一門相對較新的科學。二十世紀和二十一世紀的科技進步才剛剛開始揭開宇宙奧秘的神秘麵紗。
最近，我迷失在一家琳琅滿目的二手書店【2 】中，偶然發現了一本寫於 1901 年的《現代天文學》。作者赫伯特-霍爾-特納在序言中寫道：
在 1875 年之前（不要把這個日期看得太精確），人們隱約覺得天文工作的方法已經達到了某種類似於終極的程度，但從那時起，幾乎沒有一種天文工作方法沒有發生過重大變化。
赫伯特指的是照相底板的發明。科學家們不再通過望遠鏡看天體事物然後畫下來，而是將所看到的事物準確地記錄在巨大的金屬板上，金屬板上塗有一種能對光產生反應的化學物質。此外，望遠鏡變得越來越大，這意味著它們可以收集更多的光線，看到更暗、更小的東西。在那本書的第 45 頁，有一張精彩的圖表，展示了望遠鏡的直徑是如何從 19 世紀 30 年代的 10 英寸增加到 19 世紀末的 40 英寸的。在寫這本書的時候，目前在建的最大望遠鏡是夏威夷的三十米望遠鏡，它有一麵收集光線的鏡子，你猜對了，就是三十米寬--用赫伯特的話說，大約是 1181 英寸，所以自 19 世紀 90 年代以來，我們已經取得了長足的進步。
我之所以喜歡赫伯特-霍爾-特納的這本書（也是我不得不買下這本書的原因），是因為它能提醒我們，在科學領域，觀點的轉變是如此之快，很多內容很快就過氣了。書中沒有任何內容是我或我今天從事天文學研究的同事認為是 "現代 "的，我可以想象，120 年後，未來的天文學家讀到我這本書時可能也會有同樣的想法。例如，在 1901 年，人們認為整個宇宙的大小隻延伸到銀河係邊緣最遠的恒星--大約 10 萬光年遠。我們並不知道，在浩瀚無垠的宇宙中，還有由數十億顆恒星組成的其他島嶼，其他星係。
在那本《現代天文學》的第228頁上，有一張用照相板拍攝的圖片，上麵標注著 "仙女座星雲"。人們一眼就能認出它就是仙女座星係（或許對大多數人來說，它就是以前蘋果電腦的桌麵背景圖像）。仙女座是距離銀河係最近的星係之一，是宇宙中的一個島嶼，包含超過 1 萬億顆恒星。這幅圖像看起來與今天業餘天文愛好者在自家後花園拍攝的圖像幾乎一模一樣。但是，即使隨著十九世紀末照相製版技術的進步，記錄下了仙女座的第一批圖像，人們對它的了解也沒有立即飛躍。當時，人們仍然把它稱作 "星雲"--一個模糊不清、布滿灰塵、不像恒星的東西，認為它就在銀河係的某個地方，與大多數恒星的距離相同。直到 20 世紀 20 年代，人們才知道它的真實麵目，即它本身是一個恒星島，距離銀河係有數百萬光年之遙。這一發現從根本上改變了我們對自己在宇宙中的位置和宇宙規模的看法。一夜之間，我們的世界觀改變了，因為我們第一次認識到宇宙的真正規模。人類隻是汪洋大海中的一滴微不足道的小水滴，這一點我們以前沒有足夠意識到。
在我看來，我們隻是在過去 100 多年裏才真正認識到宇宙的真正規模，這就是天體物理學是一門多麽年輕的科學的最好例證。二十世紀的發展速度甚至遠遠超過了赫伯特-霍爾-特納（Herbert Hall Turner）在 1901 年最瘋狂的夢想。1901 年，幾乎沒有人想到過黑洞。到了二十世紀二十年代，黑洞還隻是理論上令人好奇的東西，尤其令愛因斯坦等物理學家感到惱火，因為它們破壞了物理理論中的數學方程式，而且似乎不自然。到了 20 世紀 60 年代，黑洞至少在理論上已經被人們接受，這部分歸功於英國物理學家斯蒂芬-霍金、羅傑-彭羅斯和新西蘭數學家羅伊-克爾的工作，他們解開了愛因斯坦關於旋轉黑洞的廣義相對論方程。這使得人們在 20 世紀 70 年代初首次初步提出銀河係的中心是一個黑洞。我們先來了解一下當時的背景：人類在成功地把人送上月球之前，甚至還沒有意識到我們的一生都在無情地圍繞著一個黑洞運轉。
直到 2002 年，觀測結果才證實，銀河係中心唯一可能存在的是一個超大質量黑洞。作為一個研究黑洞還不到十年的人，我經常需要提醒自己注意這個事實。我想每個人都有遺忘的傾向，甚至直到最近我們還不知道的事情。無論是智能手機之前的生活是怎樣的，還是我們在這個千年裏才繪製出整個人類基因組圖譜。正是對科學史的了解，讓我們能夠更好地欣賞我們現在所珍視的知識。回顧科學史，就像乘坐成千上萬研究人員的集體思維列車。它讓我們對那些我們習以為常的理論有了更清晰的認識，而我們卻忘記了這些理論最初是在怎樣的烈火中誕生的。一個觀點的演變過程有助於我們理解為什麽某些觀點被拋棄，而另一些觀點卻開始大行其道【3】。
當人們質疑暗物質的存在時，我經常也會想到這個問題。暗物質是我們知道存在的物質，因為它有引力，但我們看不到它，因為“它不與光相互作用”。人們質疑，我們無法看到我們認為占宇宙中所有物質 85% 的暗物質到底有多大的可信度。當然，肯定還有一些我們還沒有想到的東西吧？現在，我絕不會自大到宣稱我們確實已經想到了絕對的一切，因為宇宙一直在讓我們保持警惕。但人們忘記了，暗物質的概念並不是在某一天突然出現，用來解釋人們對宇宙的好奇。它是在經過三十多年的觀測和研究後得出的結論。事實上，科學家們拖了很多年的腳步，拒絕相信暗物質就是答案；但最終證據太多了。當然，大多數經過觀測證實的科學理論都會被物理學家站在屋頂上大音量讓人聽到；然而，暗物質一定是人類曆史上最勉強達成共識的理論。它迫使人們承認，我們所知道的遠比我們想象的要少，這對任何人來說都是一種謙卑的經曆。
這就是科學的真諦：承認我們不知道的事情。一旦我們做到了這一點，我們就能取得進步，無論是科學、知識還是整個社會的進步。人類的整體進步得益於知識和技術的進步，兩者相互推動。人們渴望更多地了解宇宙的大小和內容，希望看到更遠、更暗的東西，這推動了望遠鏡的進步（從 1901 年的 40 英寸到 2021 年的 30 米）。由於厭倦了笨重的照相底板，天文學家率先發明了數字光探測器，這導致現在我們口袋裏都裝著數碼相機。這項發明改進了圖像分析技術，是理解更詳細的數字觀測結果所必需的。這些技術隨後被應用於醫學成像，如核磁共振成像和 CT 掃描儀，被用於診斷各種疾病。對身體內部進行掃描在一個世紀前是不可想象的。
因此，和所有科學家一樣，我對黑洞效應的研究是站在前人的肩膀上進行的：阿爾伯特-愛因斯坦、斯蒂芬-霍金、羅傑-彭羅斯爵士、蘇布拉哈曼揚-錢德拉塞卡、喬瑟琳-貝爾-伯內爾夫人、馬丁-裏斯爵士、羅伊-克爾和安德烈婭-蓋茲等等。我可以在他們為之努力了如此之久的答案的基礎上，提出我自己的新問題。
經過 500 多年的科學努力，我們才剛剛對黑洞有了初步的了解。隻有深入研究這段曆史，我們才有希望了解宇宙中這一奇特而神秘的現象，而我們對它的了解仍然少之又少。從發現最小的黑洞，到發現最大的黑洞；從第一個黑洞的可能性，到最後一個黑洞的可能性；以及為什麽黑洞會被稱為黑洞。我們的科學史之旅將把我們從銀河係的中心帶到可見宇宙的邊緣，甚至還會思考一個幾十年來一直困擾著人們的問題：如果我們 "掉進 "黑洞，我們會看到什麽？
在我看來，科學竟然有希望回答這樣的問題，同時又能給我們帶來新的驚喜，這真是不可思議。因為，雖然黑洞一直被認為是星係的黑暗心髒，但事實證明它們一點也不 "黑"。多年來，科學告訴我們，黑洞其實是整個宇宙中最亮的物體。
新林院 發表評論於 2023-11-26 10:22:00
【在數學上，我們把黑洞描述為一個密度無限大、體積無限小的點，是一個我們可能無法了解的球體，】
我的專業不是物理。
但據我理解，“黑洞密度無限大、體積無限小的點”這個說法不太準確。
（1）如果把黑洞的體積定義為 event horizon 內包的體積，那麽這個體積相當大，半徑30公裏的很普遍，絕對不是無限小。
在這個定義下，密度是質量除以體積，是有限的。密度絕對不是無限大。
（2）如果把黑洞的體積定義為 singularity 的體積，那麽這個體積是零，不能說是無限小。
在這個定義下，密度是無限大。
這種說法不準確。黑洞視界裏麵是什麽，誰也不知道，不過很可能不存在我們所知的物質了。形成黑洞之前的物質，在黑洞形成後就從我們所在的宇宙裏消失掉了，留下的隻有質量引起的引力。
我的專業不是物理。
但據我理解，“黑洞密度無限大、體積無限小的點”這個說法不太準確。
（1）如果把黑洞的體積定義為 event horizon 內包的體積，那麽這個體積相當大，半徑30公裏的很普遍，絕對不是無限小。
在這個定義下，密度是質量除以體積，是有限的。密度絕對不是無限大。
（2）如果把黑洞的體積定義為 singularity 的體積，那麽這個體積是零，不能說是無限小。
在這個定義下，密度是無限大。