【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！」／／

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Q：iCi保養品Première Repair Serum成分是什麼?
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Q：iCi保養品Première Repair Serum適合過敏性肌膚使用嗎?
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Q：男生也可以用嗎？
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Q：這個保養品有比較適合夏天或冬天用嗎？
A：無論季節變化都可以！事實上他比一般保養品，更適合在各種季節使用！因為app會隨檢測後的膚況自動調整比例，再搭配自己的保養品使用。

Q：測量的時候會冰冰的嗎？會不會刺？
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Q：何時量測比較好?A：建議每天早晚在固定時間，洗完臉5~15分鐘後進行檢測與保養

Q：可以不洗臉或帶妝進行檢測嗎?
A：臉上彩妝或髒污皆可能會影響檢測結果，因此建議清潔後再進行檢測。

Q：可以洗完臉立即檢測或等超過30分鐘才檢測嗎?
A：水份未乾會使含水量檢測值偏高，一般肌膚在洗完臉後並擦乾後5分鐘以上會較穩定。超過30分鐘則可能因為皮脂腺分泌而影響檢測結果。

Q：如何從檢測結果中判斷肌膚健康程度呢?
A：因為每個人生活環境與天生肌膚狀態不同，無法只從一日量測數值判斷肌膚健康狀態，需要週期性追蹤檢測結果來判斷。
▪️如果單月含水量能上5~10%，含氧量上升1~5%，顯示肌膚健康程度上升。
▪️黑色素高低則無關健康，在意肌膚白皙程度的人，可以看黑色素值是否變低來檢視防曬與美白的效果。

🔺各種檢測代表什麼意義 ？
Q：含水量越高越好嗎?
A：含水量越高表示肌膚越水嫩。肌膚角質層厚度會隨年紀逐漸變薄，也可能會有皮膚含水量上升的情形。

Q：黑色素越低越好嗎?
A：黑色素和肌膚的白皙程度相關，所以可由黑色素值的高低來判斷美白或防曬的成果。但在追求美白的同時，過少的黑色素要小心肌膚容易因太陽UV光照射而曬傷老化。

Q：含氧量越高越好嗎?
A：不是。氧在細胞中是重要的「燃料」，提供細胞能量，並且是啟動各種細胞反應的開關，包括免疫反應、過敏反應、修護反應等。當肌膚含量充足時，肌膚紅潤有光澤，表示皮膚新陳代謝良好；但當含氧量太高，則也可能產生自由基，干擾正常的代謝反應，同時也可能是過敏的徵兆。

Q：皮脂是不是越低越好?
A：不是。在洗臉後半小時，皮膚會逐漸分泌皮脂形成保護的皮脂膜，來幫助穩定肌膚的狀態，防止水份散失，所以適當的皮脂分泌是必需的。

Q：肌膚分數越高越好?
A：是的。本肌膚分數是依據肌膚的量測結果與肌膚數據庫中各年齡的肌膚數據進行交叉評比，分數越高表示肌膚狀況越好，如果能維持在60分以上表示肌膚已優於半數以上的使用者，已是非常好的成績。

Q：要如何知道保養品是否對我有效?
A：皮膚狀況並非穩定不變的，每日、每月皆有趨勢性的變化週期，可藉由皮膚週期28天為單位進行觀察，透過觀察多筆數據來判斷是否有明顯差異，並藉由趨勢圖表檢示肌膚健康程度是否穩定及逐漸上升，這樣就可知道保養品是否有效。

🔺有關動態原力精華問題：
Q：使用精華液後可以馬上化妝嗎?
A：不建議。本產品添加保水程度極佳的玻尿酸，可吸收自身重量的500倍的水，因此建議保養後20分鐘再進行化妝，確保玻尿酸的吸收效果不受妝品影響。

Q：一瓶大約有幾天的分量?
A：這邊是指一瓶66ml的原力精華（內含兩管補充管）可以使用1.5 - 2個月。白管籃管是分開的，補充時都可單獨抽換。

Q：若保養品擠出時出現氣泡該如何處理?
A：當保養品低於15%時，可能會擠出少數氣泡，屬於正常現象，建議使用前可輕搖瓶身，再依建議調整刻度按壓使用，減少擠出氣泡的現象。

Q：何時該更換內管補充包?
A：當其中一劑保養品低於5%時，使兩劑出量不如預設比例，因此建議可更換該內管補充包。

Q：要如何更換補充包
A：依指示轉開下轉盤，抽出下轉盤，使用補充罐瓶蓋，套至欲補充的內管上，將欲補充的內管往下拉出，再將新補充罐放置並用力往上推到出現喀聲，再對齊下轉盤位置裝回，並旋轉到使用位置。

Q：我可以隨意變換內管位置嗎?
A：不行。瓶身經過專利設計，兩劑有其正確位置，無法隨意更換兩劑位置。

🔺有關量測時的問題：
Q：為什麼量測時一直顯示量測錯誤?
A：可能是檢測儀探頭未完整貼平肌膚，導致光源訊號外漏，就會出現量測錯誤的訊息。建議進行量測時照著鏡子加以輔助，確保探頭能完整貼合肌膚表面，比較不容易發生漏光的情形。若仍持續出現量測異常請聯絡iCi。

Q：量測過程中儀器斷線該怎麼處理?
A：1. 靜置過久：當檢測儀連線後，5分鐘內未使用，會自動關機(燈號熄滅)，只要蓋上保護蓋再打開，儀器閃爍藍燈表示已重新開機，這時再次連線配對就可以繼續使用。
2. 電量不足：請檢查iCi肌膚檢測儀是否有電，若打開保護蓋時閃爍紅燈表示電量不足，此時請先將儀器充電後再使用。

Q：如何查看iCi肌膚檢測儀電量?
A：App右上角的電池圖像會顯示電池電量或充電狀態。如果裝置電力不足，裝置則會在開機時紅藍燈輪流閃兩次，表示需要先充電至少十分鐘，然後才可以使用。(如果裝置電力嚴重不足，裝置燈恆不亮。)

🔺有關儀器保養跟充電：
Q：肌膚檢測儀充滿電後，可以用多久?
A：肌膚檢測儀每次充滿電需要2.5小時，充滿後可使用約2個月

Q：iCi肌膚檢測儀該如何保養以延長使用壽命
A：1. 保持乾淨：每次使用完畢，用乾淨紙巾輕輕擦拭檢測儀探頭，必要時可以使用酒精棉片做清潔。
2. 保持乾燥：iCi肌膚檢測儀不具防水功能，使用時請慎防液體滲入檢測儀中，使用完畢請清潔探頭並保持乾燥。
3. 防止碰撞：請將儀器放置於安全不易摔落的地方，使用過程也盡量小心，防止摔落或碰撞檢測儀。
4. 非使用時保存方式：長時間不使用時，請將iCi肌膚檢測儀收納於附贈之絨布袋，並存放於陰涼乾燥處。

Q：如何替iCi肌膚檢測儀充電?
A：使用隨附的充電線和充電座將裝置連接到電源插座。或者將裝置連接至電腦來充電。(除非鍵盤上有高電力 USB 2.0 埠或 3.0 埠，否則必須將裝置連接到電腦上的 USB 2.0 埠或 3.0 埠。)

Q：電池需要更換嗎?
A：iCi肌膚檢測儀裡均為充電式電池，在正常使用下可重複充電使用。一般來說在長期且持續使用後，充電式電池將達壽命極限則必須加以更換。(電池僅能由授權的服務供應商進行更換。)