【立場轉載】【2020 諾貝爾物理學獎】廣義相對論與宇宙最黑暗秘密

打風落雨留在家，為何不試試學習黑洞的理論呢？😹😹😹

／／諾貝爾獎有三個科學奬項，我們在學校也習慣以「物理、化學、生物」等不同科目去區分不同科學領域。這種分界當然能夠方便我們以不同角度去理解各種自然現象，但大自然其實是不分科目的。科學最有趣的是各種自然現象環環相扣，我們不可能只改變大自然的某一個現象而不影響其他。就好像蝴蝶效應，牽一髮而動全身。

廣義相對論間接推論暗物質存在的必要

廣義相對論是目前最先進的重力理論，它能夠解釋迄今為止所有實驗和觀測數據。然而，天文學家發現銀河系的轉速和可觀測宇宙的物質分佈，都顯示需要比觀測到的物質更加多的質量。這是物理學的其中一個未解之謎，有時會被稱為「消失的質量」問題。那些「應該在而卻看不到」的物質，就叫做暗物質 (dark matter) 。

有些物理學家猜測，會否根本沒有暗物質，而是廣義相對論需要被修改呢？他們研究「修正重力 (modified gravity) 」理論，希望藉由修正廣義相對論去解釋這些觀察結果，無需引入暗物質這個額外假設。可是從來沒有修正重力理論能媲美廣義相對論，完美地描述宇宙一切大尺度現象。

天文學研究向來難以得到諾貝爾獎，因為天文發現往往缺乏短期實際應用。然而過去十年之間，有關天文發現的研究卻得到了五個諾貝爾物理學獎。換言之，過去幾十年間改變人類對宇宙的基本認知的，有一半是來自於天文現象。其中有關廣義相對論的包括 2017 年的重力波觀測、 2019 年的宇宙學研究，以及 2020 年的黑洞研究。

不過很少人提及這三個關於廣義相對論的發現其實同時令暗物質的存在更加可信。因為這些發現測量得越精確，就代表廣義相對論的錯誤空間更小。換句話說，物理學家越來越難以靠修正重力去解釋「消失的質量」問題，所以暗物質的存在就越來越有其必要了。

換句話說，如果證明黑洞存在，其對科學的影響並不單止是為愛因斯坦的功績錦上添花，而是能夠加深人類對構成宇宙的物質的理解。

描述四維時空的圖

談黑洞之前，我們首先要理解一下，物理學家是如何研究時空的。研究時空的一種方法，就是利用所謂的時空圖 (spacetime diagram) 。一般描述幾何空間的圖，在直軸和橫軸分別表示長和闊，形成一個二維平面。有時更可按需要加多一條垂直於平面的軸，代表高度。長、闊、高，構成三維空間。但如果要再加上時間呢？那麼就再在垂直於長、闊、高的第四個方向畫一條軸吧。咦？

怎麼了，找不到第四個方向嗎？這是當然的，因為我們都是被囚禁在三維空間之中的生物。如果有生活在四維空間裡的生物，牠們會覺得我們很愚蠢，問我們：「為什麼不『抬頭』？第四個方向不就在這邊嗎？」就像我們看著平面國的居民一樣，在二維生物眼中，牠們的世界只有前後左右，沒有上下。到訪平面國的我們也會問：「為什麼不『抬頭』？第三個方向不就在這邊嗎？」但牠們無論如何也做不到。

宇宙是三維空間，另外加上時間。如果要加上時間軸這個「第四維」的話，我們就必須犧牲空間維度。物理學家使用的時空圖就是個三維空間，直軸代表時間（時間軸）、兩條水平的橫軸代表空間（空間軸）。當然，把本來的三維空間放在二維的平面上，我們需要一些想像力。在時空圖上，每個點都代表在某時某地發生的一件事件 (event) ，因此我們可以利用時空圖看出事件之間因果關係。一個人在時空中活動的軌跡，在時空圖上稱為世界線 (world line) 。

由於時間軸是垂直的，並且從時空圖的「下」向「上」流動。一個站在原地位置不變的人的世界線會是平行時間軸的直線。由於光線永遠以光速前進，光線的世界線會是一條斜線。而只要適當地選擇時間軸和空間軸的單位，光線的世界線就會是 45 度的斜線。因為沒有東西能跑得比光快，一個人未來可以發生的事件永遠被限制在「上」的那個由無數條 45 度的斜線構成的圓錐體之間，而從前發生可以影響現在的所有事件則永遠在「下」的圓錐體之間。這兩個「上」和「下」的圓錐體內的區域稱為那個人當刻的光錐 (light cone) ，而物理學家則習慣以「未來光錐 (future light cone) 」和「過去光錐 (past light cone) 」分別表示之。

所有東西的世界線都必定被位於未來和過去光錐之內。在沒有加速度的情況下，所有世界線都會是直線。如果涉及加速，世界線就會是曲線。而廣義相對論的核心概念，就是重力與加速度相等，兩者是同一種東西。因此我們就知道如果在時空圖上放一個質量很大的東西，例如黑洞，那麼附近的世界線就會被扭曲。不單是物質所經歷的事件，連時空也會被重力場扭曲，因此時空圖上的格網線和光錐都會被扭曲往黑洞的方向。換句話說，越接近黑洞，你的越大部分光錐就會指向黑洞內部。因為你的世界線必須在光錐之內，你會剩下越來越小的可能逃離黑洞的吸引。

2020 年的諾貝爾物理學獎一半頒給了彭羅斯 (Roger Penrose) ，以表揚他「發現黑洞形成是廣義相對論的嚴謹預測」。在彭羅斯之前的研究，大都對黑洞的特性作出了一些假設，例如球狀對稱。這是因為以往未有電腦能讓物理學家模擬黑洞，只能用人手推導方程。但廣義相對論是非線性偏微分方程，就算不是完全沒有可能也是極端難解開的，所以物理學家只能靠引入對稱和其他假設去簡化方程。因此許多廣義相對論的解都是帶有對稱假設的。這就使包括愛因斯坦在內的許多物理學家就疑惑，會不會是因為額外加入的對稱假設才使黑洞出現？在現實中並沒有完美的對稱，會不會就防止了黑洞的出現？

黑洞只是數學上的副產品嗎？

彭羅斯發現普通的高等數學並不足以解開廣義相對論的方程，因此他就轉向拓撲學 (topology) ，而且必須自己發明新的數學方法。拓撲學是數學其中一個比較抽象的分支，簡單來說就是研究各種形狀的特性的學問。 1963 年，他利用一種叫做共形變換或保角變換 (conformal transformation) 的技巧，把原本無限大的時空圖（因為空間和時間都是無限延伸的）化約成一幅有限大小的時空圖，稱為彭羅斯圖 (Penrose diagram) 。

彭羅斯圖的好處除了是把無限縮為有限，還有另一個更重要的原因：故名思義，經過保角變換後的角度都不會改變。其實在日常生活中，我們經常都會把圖變換為另一種表達方式，例如世界地圖。由於地球表面是彎曲的，如果要把地圖畫在平面的紙上，就必須利用類似的數學變換。例如我們常見的長方形或橢圓形世界地圖，就是利用不同的變換從球面變換成平面。有些變換並不會保持角度不變，例如在飛機裡看到的那種世界地圖，在球面上的「直線」會變成了平面上的「曲線」。

扯遠了。回來談彭羅斯圖，為什麼他想要保持角度不變？因為這樣的話，光錐的方向就會永遠不變，我們可以直接看出被重力影響的事件的過去與未來。彭羅斯也用數學證明，即使缺乏對稱性，黑洞也的確會形成。他更發現在黑洞裡，一個有著無限密度的點——奇點 (singularity) ——必然會形成。這其實就是彭羅斯-霍金奇點定理 (Penrose-Hawking singularity theorem) ，如果霍金仍然在世，他亦應該會共同獲得 2020 年諾貝爾物理學獎。

在奇點處，所有已知物理學定律都會崩潰。因此，很多物理學家都認為奇點是不可能存在宇宙中的，但彭羅斯的計算卻表明奇點不但可以存在，而且還必定存在，只是在黑洞的內部罷了。如果黑洞會旋轉的話（絕大部分都會），裡面存在的更不會是奇點，而是一個圈——奇異圈 (singularity ring) 。

黑洞的表面拯救了懼怕奇點的物理學家。黑洞的表面稱為事件視界 (event horizon) ，在事件視界之內，你必須跑得比光線更快才能回到事件視界之外。因此沒有任何物質能夠回到黑洞外面，所以黑洞裡面發生什麼事，我們都無從得知。就是這個原因給予了科幻電影如《星際啟示錄 (Interstellar) 》創作的空間——在黑洞裡面，編劇、導演和演員都可以天馬行空。只要奇點永遠被事件視界包圍，大部分科學家就無需費心去擔心物理學可能會分崩離析了。甚至有些科學家主張，研究黑洞的內部並不是科學。

雖然如此，卻沒有阻礙彭羅斯、霍金等當代理論天體物理學家，利用與當年愛因斯坦所用一樣的工具——紙和筆——去研究黑裡面發生的事情。雖然或許我們永遠無法證實，但他們的研究結果絕非無中生有，而是根據當代已知物理定律的猜測，即英文中所謂 educated guess 。利用彭羅斯圖，我們發現不單奇點必定存在，而且在黑洞裡面，時間和空間會互相角色。

但這是什麼意思？數學上，時間和空間好像沒有分別，但在物理上兩者分別明顯：在空間中我們可以自由穿梭，但在時間裡我們卻只能順流前進。彭羅斯發現，帶領掉入黑洞的可憐蟲撞上奇點的並非空間，而是時間，因此我們也說奇點是時間的終點。亦因為在黑洞裡面掉落的方向是時間，向後回頭是不可能的，所以一旦落入黑洞，就只能走向時空的終結。

看見黑洞旁的恆星亂舞

另一半諾貝爾獎由 Reinhard Genzel 和 Andreas Ghez 平分，以表揚他們「發現銀河系中心的超大質量緻密天體」。銀河系中心的確有一個超大質量的物體，而且每個星系中心都有一個。這些質量極大的物體，就是所謂的超大質量黑洞 (supermassive blackholes) 。

上世紀 50 年代開始，天文學家陸續發現了許多會釋放出無線電輻射的天體，稱為類星體 (quasars) 。之後其中一個類星體 3C273 被觀測確認是銀河系外的星系中心。根據計算， 3C273 釋放出的無線電能量是銀河系中所有恆星的 100 倍。起初，天文學家認為這些能夠釋放巨大能量的類星體，必然是些比太陽重百萬倍的恆星。但是理論計算結果卻表明，這麼重的恆星會是極不穩定的，而且壽命會非常短，因此類星體不可能是恆星。

為什麼這些類星體不可能是恆星？因為恆星的發光度是有極限的，而且正比於恆星的質量。這個極限稱為愛丁頓極限 (Eddington limit) 。如果恆星的發光度超出愛丁頓極限，光壓（radiation pressure ，即光子對物質所施的壓力）就會超過恆星自身的重力，恆星就會變得不穩定。因此，天文學家逐漸改而相信類星體是位於星系中心的超大質量黑洞。這也令類星體多了一個名字：活躍星系核（active galactic nucleus）。

每個黑洞旁邊都有一個最內穩定圓形軌道 (innermost stable circular orbit) ，依據黑洞會否旋轉而定，大概是黑洞半徑的 3–4.5 倍。比最內穩定圓形軌道更接近黑洞的範圍，環繞黑洞運行的物質都會因不穩定的軌道而墜落黑洞之中，並在墜落的過程中釋放出 6–42% 的能量，因此可以解釋活躍星系核的強大發光度。

另一方面，彭羅斯在 1969 年亦發現一個旋轉的黑洞能夠把能量轉給物質，並且把物質拋出去，這個過程稱為彭羅斯過程 (Penrose process) 。換言之，從黑洞「偷取」能量是有可能的。科學家估計，科技非常先進的外星文明有可能居住於黑洞附近，並利用彭羅斯過程從黑洞提取免費的能源。這個過程亦進一步支持超大質量黑洞能夠釋放巨大能量的理論。

由於 E=mc2 ，能量即是質量，因此被偷取能量的黑洞的質量就會減少。霍金在 1972 年發現一個不會旋轉的黑洞的表面積不可能減少。黑洞質量越大，其表面積就越大，因此不會旋轉的黑洞不會有彭羅斯過程。他亦發現，如果是個會旋轉的黑洞，其表面積是有可能減少的。因此霍金的結論支持了彭羅斯的理論。

Genzel 和 Ghez 兩人的研究團隊已經分別利用位於智利的歐洲南方天文台 (European Southern Observatory) 的望遠鏡和位於夏威夷的凱克望遠鏡 (Keck Telescope) 監察了距離地球約 25,000 光年的銀河系中心區域將近 30 年之久。他們發現有很多移動速度非常快的恆星，正在環繞一個不發光的物體轉動。這個不發光的物體被稱為人馬座 A* (Sagittarius A*, 縮寫為 Sgr A*) 。 Sgr A* 會放出強大的無線電波，這點與活躍星系核的情況相似。

他們不單確認了這些恆星的公轉速率與 Sgr A* 的距離的開方成反比， Genzel 的團隊更成功追蹤了一顆記號為 S2 的恆星的完整軌跡。這兩個結果都表明， Sgr A* 必然是一個非常細小但質量達 400 萬倍太陽質量的緻密天體。這樣極端的天體只有一種可能性：超大質量黑洞。

霍金輻射　黑洞的未解之謎

諾貝爾物理學委員會在解釋科學背景的文件中亦特別提及霍金的黑洞蒸發理論以及霍金輻射 (Hawking radiation) 。現時仍然未能探測到霍金輻射的存在，未來若成功的話除了將再一次驗證廣義相對論以外，更會對建立量子重力理論 (quantum gravity theory) 大有幫助。就讓我們拭目以待吧！

重力波研究、宇宙學研究、黑洞研究，都是直接檢驗廣義相對論預言的方法。加上 2019 年 4 月 10 日公布的黑洞照片，大自然每一次都偏心愛因斯坦。相信愛因斯坦在天上又會伸出舌頭，調皮地說：「我早就知道了！」／／

《這是全台灣2300萬人民的事》
#歡迎分享給更多人知道
因為文茜姐的牽線，在2017年認識了萬阿姨（萬姐），當時齊柏林基金會剛開始，也是齊柏林導演離開的不久。
萬姐告訴我，齊柏林導演之所以會拍看見台灣，是因為看見八八風災後的小林村，看見台灣因為被濫墾而造成的大自然反撲。
萬姐說，其實在看見台灣上映前，被行銷公司預估只有800萬的票房，一直被說服是不是改DVD發行就好。是因為齊柏林導演的堅持，他說，他不在乎票房。而是在乎是不是讓全台灣的人民都能看到並且重視這個問題？
後來，兩億多的票房給了齊柏林導演答案，是的，這是大家都認同的事。
齊柏林導演離開後，基金會最重要的使命是數位典藏，但因為導演走得倉促，數十萬張的照片需要龐大的費用去整理消化然後保留，讓下一代甚至下下代的台灣人民知道與理解這些年我們所居住的地方，成了什麼樣子。
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雖然這條路很辛苦，但齊柏林導演的兒子齊廷洹和萬姐，還有齊柏林基金會的所有人都有信心，有信心他們在做的事，會是全台灣人民都願意一起加入的事。
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這一本 凝視 齊柏林：台灣的四維空間
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然後齊柏林基金會可以幫你送到你指定的學校或圖書館
也希望有更多的學校或企業一同認購回去
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用他的生命
為我們留下的痕跡
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謝謝萬姐 萬冠麗
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謝謝蕭老師
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讓我們可以用自己允許的方式
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如同齊柏林導演
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#齊柏林基金會貼心的在說明中都翻譯了英文

課綱改革...實踐「進步價值」

黃光國／台大心理系名譽教授（台北市）

雲林縣長張麗善日前在就職周年記者會宣布要重新找回「禮義廉恥」，縣府編列預算，打造190塊「禮義廉恥」匾額，將在全縣國中小學掛上。圖為馬光國小校舍舊照。記者陳雅玲／攝影

一八課綱上路滿周年，聯合報民調顯示：有超過六成民眾沒聽過一○八課綱。家有高中以下孩子的家長，有七成坦承不清楚新課綱實施理念與改變內容。超過八成的高中老師感到「工作負擔增加」，有同樣感受的國中老師將近七成。有超過三成的家長對各種教育問題感到憂心，補習班則藉機大作廣告：「你家孩子是一○八課綱白老鼠嗎？」

這些情景跟一九九四年推動「教改」時，家長跟老師的感受十分相似。其間差異，在於一九九四「教改」曾經動員一票所謂「自由派」的學者，遊行吶喊，大張旗鼓，為其鳴鑼開道。因為當時的政治環境尚未明朗，所以要用「明修棧道，暗渡陳倉」的計策，叫出許多美麗動人的口號，遮掩其政治目的。現在民進黨政權已經十分穩固，所以這次的「課綱改革」則是由上而下，明火執仗，要達到「去中國化」的目標。

民進黨「課綱改革」的目的，是鞏固當年杜正勝設計的「同心圓史觀」，將台灣的歷史在時間上限定五百年，在空間上跟大陸切割。這樣的教育內容已經成功地塑造出蔡英文所說的「天然獨」世代。現在民進黨全面執政，「去中國化」當然不能止於「坐而言」，必須「起而行」，講究如何具體實踐。

不久前，有位綠營資深政治人物說：「禮義廉恥」不是優良傳統，是「威權復辟」，是「以國家暴力壓迫人民」。很多人覺得奇怪，「禮義廉恥，國之四維，四維不張，國乃滅亡」明明出自春秋時期的管子，難道因為蔣介石曾經提用這四個字作為校訓，它就變成了「國家壓迫人民」的工具？

一點都不錯。這正是蔡政府全面執政後，所要推動的「進步價值」。舉例來說，黃俊英是陳菊碩士論文的指導教授，當年他和陳菊競選高雄市長時，民調一路領先。到了投票前夕，在陳其邁主持的記者會上，炮製出「走路工」事件，結果選情一夕翻轉，陳菊當選，黃俊英抑鬱以終。

這樣敢於使用詭計，將恩師「拉下馬」的「人權鬥士」，正是蔡政府所推崇的「典範人物」，所以蔡英文不計毀譽，一定要提名她當監察院長。

很多人不懂蔡總統的心思，居然舉于右任、陶百川等歷史人物，說監察院長是什麼「風霜大任」，必須要由有「風骨」的人出任。「風骨」？「風霜大任」？這種論調難道不就是綠營所不齒的「威權復辟」麼？怎麼擋得住蔡英文的「進步價值」？

多數家長不了解新課綱的實施理念與改變內容。在綠營看來，這根本不成問題。現在行政院人事行政總處提出「約聘人員人事條例草案」，將來年輕人只要懂得以綠營的「進步價值」為是非，拉好關係，搞個約聘位子，三年後就可轉任特定機關有職稱職務，前程一片大好。了解新課綱的理念和內容，又有什麼用？

「艾波談心室」第8集👏
邀請了來賓- #一千！
＊人物背景：薩滿＋第三空間共同創辦人

今天來與我們聊聊：
雙生火焰本質及目的、如何踏上薩滿之路、雙火CP特質與合一

一千是先前在影片提及
幫我確認雙火鏈接的薩滿
她也走在這條旅程上3年時間

看似一條沒有盡頭的終點
我們究竟可以期待什麼呢？
與銘印伴侶 (Imprinting) 重聚？
又或者收回力量，單單成為完整的自己？

雖然答案還在描繪當中
不過我認為「只要不擔心什麼，就會有什麼」
面對生命，若能不消極等待
而是積極臣服，日夜淨化自己的心

那將會發現，其實人間天堂早就在了
因為歲月靜好的心，就是那張入場票。
#活出伊甸園意識 
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【☆ #雙火同學會來囉 ☆】
9/17(五) 19:30報名傳送門：https://reurl.cc/43gVoD
下週歡迎來第三空間，一起喝酒水聊聊天～!!

一千的薩滿天地：https://reurl.cc/Mk7K7W
『第三空間🚪』靈性工作室：https://reurl.cc/V5ab6A
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精彩對談內容：
1. 一千的雙火歷程 0:55
2. 靈魂雙胞胎？人生切分點 05:06
3. 個人使命 vs 薩滿之路 07:18
4. 雙生火焰本質 09:44
5. 雙生火焰CP特質 11:45
6. 有合一例子嗎？ 12:41
7. 雙生火焰終極目的 14:20

立即分享給想深入「#雙生火焰旅程」的妳/你！
喜歡影片，別忘了幫我按讚/訂閱/開小鈴鐺～

‣‣‣ #英文字幕： 點擊設定 → 字幕 → 自動翻譯 → 英文唷！

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❗️上一部精彩影片❗️
‣‣什麼是雙生火焰？你被靈魂雙胞胎的愛虐到了嗎
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‣‣【你不孤單】雙生火焰相遇的徵兆＋6大階段｜艾波外出中X身心靈平衡
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‖ 服務項目 ‖
➢ 高我牌卡諮詢
線上
費用：$630/ 1個問題（光之療癒+$150)
方式：7張高我牌陣+靈擺or 阿卡西紀錄解讀
需提供：西元生日/簡述問題/若可以提供1張大頭貼供連結
回覆方式可擇：48小時內提供連結報告書 or 陪談30分鐘
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➢ 靈性諮詢
線上
費用：$550/ 35分鐘 (日常問題)
$1000/ 1小時 (核心議題)
進行方式：靈性或人生問題諮詢/陪聊，過程輔以塔羅
大天使、高我牌卡、靈擺等方式，協助釐清目前課題
未來方向及建議
需提供：西元生日/ 簡述問題/ 若可以提供1張大頭貼供連結
回覆方式：會先讀牌連結，後以文字陪談
ＰＳ：
算牌前可先聊聊，討論問題設定喔 :)
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