【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！」／／

//中國長征火箭碎片襲港？西貢白腊灣海面驚現一塊面積達兩米乘兩米，厚度約數厘米的大型曲面神秘碎片沖上岸邊，碎片長滿蠔殼，村民對其來歷感疑惑。記者到場發現，碎片上印有疑似中國載人航天工程的英文縮寫「CMS」字樣，中間夾層有蜂窩狀結構，懷疑是中國長征火箭發射後掉落大海的零件。//

https://hk.appledaily.com/…/202…/XEK37YN5VZDEFP73MXD5E6X3OI/
疑似中國火箭殘骸沖上西貢

這地貌上如 桂林 和 下龍湾。
🇲🇨印尼（喀斯特山區）僅次於中國雲南，是世界第二大喀斯特山脈，面積為43,750公頃，有（286）個洞穴包括～
Maros有（16）個史前洞穴。
Pangkep（17）個史前洞穴。
在國家公園内也有兩個是瀑布洞穴。

在近期調查於2019年4月30日進行，石器繪畫洞穴，距洞穴底部7米，有史前繪畫由四個面板組成。手掌只有兩張完好無損並且清晰可見，在喀斯特岩壁上高度為50米。
這個山洞的裝飾品非常多樣。在這個洞穴中可以找到鐘乳石，石筍，流石，簷篷的支柱。利用天然洞穴作為住所。大量繪畫和殘骸以石器工具和廚餘的形式作為證據，水文流量測繪小組也在洞壁上發現了許多照片。鑑定結果得出結論～該圖片是史前人類繪製的圖像是黑色棕紅色繪畫形式的圖像發現。

Babul NP國家公園與南蘇拉威西考古中心和南蘇拉威西保護保存中心關機構在南蘇拉威西考古中心通過進行初步調查對這一發現做了回應
是識別其他遺骸是繪製史前洞穴狀況的地圖。
然後蘇拉威西考古中心通過進行初步調查對這一發現做出了回應，識別其他遺骸並繪製史前洞穴狀況的地圖。

https://makassar.terkini.id/menjelajah-biseang-labboro-lok…/

印尼 班蒂穆龍–布魯薩隆國家公園
南蘇拉威西Bantimurung-Bulusaraung國家公園包含Rammang-Rammang 喀斯特地區，是僅次於中國雲南（是世界第二大喀斯特地區）位於馬洛斯攝政區（Maros Regency）距望加錫（Makassar）以北50公里（一小時車程）或距蘇丹哈桑丁國際機場（Sultan Hasanuddin International Airport）僅20公里（30分鐘車程）大部分岩溶岩層都高大而陡峭。
沿著從Maros市到Bantimurung 的道路兩旁幾乎成90度角線，一直延伸到Pangkajene和Islands Regency（印尼語：Pangkajene dan Kepulauan通常縮寫為Pangkep ）

喀斯特地貌面積為43,750公頃，（286）個洞穴包括Maros
有16個史前洞穴和Pangkep 和17個史前洞穴。國家公園内有兩個洞穴的瀑布；左邊的一個被稱為夢洞（長一公里）右邊的一個被稱為石洞。

歷史
1857年10月至10月10日阿爾弗雷德·華萊士Alfred Wallace對班蒂穆倫（Bantimurung）地區進行了首次主要勘探。
後來在馬來群島（The Malay Archipelago）發表勘探結果，許多研究人員開始訪問馬洛斯。
1970-1980年，Maros-Pangkep喀斯特喀斯特有五個選定的保護區，包括兩個自然公園Bantimurung和Gua Pattunuang 和三個野生動物保護區Bantimurung，Karaenta和Bulusaurung）
1993年，十一屆國際洞穴學聯盟大會於Maros-Pangkep Karst 推薦為世界遺產。
此後五年，哈桑努丁大學環境研討會（PSL-UNHAS）建議保護印尼Maros-Pangkep岩溶區。

2001年5月，國際自然保護聯盟（IUCN）亞洲區域辦事處和聯合國教科文組織世界遺產中心在馬來西亞沙撈越舉行了關於喀斯特生態系統和世界遺產的亞太論壇，也說服印尼政府保護Maros-Pangkep Karst 。

2004年林業部宣布將Bantimurung-Bulusaurung土地的43,750公頃分配為Bantimurung – Bulusaraung國家公園，作為野生生物保護區，自然公園，保護林，限產林，生產林。動物群。

印尼國家公園位於亞洲和澳大利亞地區的過渡地區，擁有許多獨特的動物收藏～
蘇拉威西高地獼猴（Macaca maura）
紅嘴犀鳥（Aceros cassidix，Penelopides exarhatus），cuscus（Strigocuscus celebensis）Sulawesi
棕櫚靈貓（Macalgalidia musschenbroekii）
蝙蝠和大腹公豬（Sus scrofa vittatus）

在2008年3月，Bantimurung – Bulusaraung
工作人員發現Tarsius fuscus的存在，並在該地區發現了它的巢，其中在喀斯特地區甲殼動物的生物多樣性中。

有一種獨特的物種稱為“蜘蛛蟹”（Cancrocaeca xenomorpha）僅在Maros喀斯特洞穴中才發現

保謢區蝴蝶
Bulusaurung（Vindula sp）除了昆蟲館外。
由保護區管理員和居民共同管理的蝴蝶繁育中心還可以看蝴蝶的變態過程。在瀑布周圍有許多蝴蝶，如Troides helena Linne，Troides hypolitus Cramer，Troides haliphron Boisduval，Papilio peranthus adamantius和Cethosia myrana。

英國博物學家阿爾弗雷德·羅素·華萊士（Alfred Russel Wallace）印尼這地點稱為蝴蝶王國。

1857年的探索中，華萊士從班蒂穆倫地區發現了256種蝴蝶物種。
與1977年馬蒂木（Mattimu）的先前報告不同，後者在國家公園內發現了103種蝴蝶物種，其中有一些地方特有種，包括鳳蝶鳳蝶，鳳蝶鳳蝶，鳳蝶鳳蝶和Graphium androcles。

1970年代以來，Bantimurung地區一直被認為是蝴蝶的商業來源，蝴蝶收藏品以紀念品，蝴蝶框，鑰匙鍊和其他配件的形式提供給印尼當地市場和國際市場，作為紀念品。
2010年，約有60萬遊客（主要是國內游客）訪問了該站點，現在過度開發本地資源被視為一個問題，國家公園的管理局已改變為將蝴蝶保護區的目的從提取和開發轉變為保護自然生態系統作為旅遊勝地，但是，當地仍然存在蝴蝶非正式貿易，賣家仍然在公園抓蝴蝶，然後將其出售給當地的經銷商，而不是通過繁殖或養殖生產的方式來生產，為了幫助保護蝴蝶。
印尼政府官方《 2008-2018年國家物種保護戰略方向》的昆蟲組中，將其列為優先事項

https://en.wikipedia.org/…/Bantimurung_%E2%80%93_Bulusaraun…

喀斯特（karst）山脈
英文單詞是19世紀末從德國喀斯特（Karst）借來的，較早就進入了德語。
根據一個解釋的術語是從德國名推導出一個數的內發現的地質，地貌，以及水文特徵範圍的的迪納拉阿爾卑斯山，從東北角拉伸意大利城市的上述的里雅斯特。（在奧地利沿海地區的時間部分）沿著巴爾幹半島，沿著亞得里亞海東部沿海地區到達科索沃，北馬其頓，那裡的地塊中的SAR山開始，更具體的岩溶區，在西北最節，早在地形研究描述為高原，意大利和之間的斯洛文尼亞。

岩溶是由可溶性岩石如石灰石，白雲石和石膏溶解形成的地形。它的特點是帶有污水坑和洞穴的地下排水系統。
在適當的條件下，它也已被證明可以用於耐風化的岩石，例如石英岩，地下排水可能會限制地表水，河流或湖泊很少甚至沒有，但是，在溶解的基岩被覆蓋（可能被碎屑覆蓋）或被一個或多個疊加的非可溶性岩層限制的區域中，獨特的岩溶特徵可能僅在地下水平出現，並且可能在地上完全消失。

岩溶研究在石油地質中被認為是最重要的，因為世界上多達50％的碳氫化合物儲藏都在多孔岩溶系統中。

斯洛文尼亞喀斯特研究的先驅者，倫敦皇家自然知識改良學會的研究員約翰·魏克哈德·馮·瓦瓦瑟（Johann Weikhard von Valvasor）於1689年向歐洲學者介紹了喀斯特一詞，他描述了地下河流現象。切爾卡尼察湖。

喬萬·奇維奇（JovanCvijić）極大地提高了喀斯特地區的知識，以至於他被稱為“喀斯特地貌之父”。

主要討論了巴爾幹地區岩溶Cvijić的1893年出版達斯Karstphänomen描述地貌如卡倫，漏斗和poljes。

在1918年的出版物中，Cvijić提出了岩溶景觀發展的周期性模型。

喀斯特水文學在1950年末和1960年代初在法國興起，以前，洞穴探險家的活動稱為洞穴學家現代為一種運動而不是科學，這意從科學的角度出發，對地下岩溶洞穴及其相關水道可加强研究。

https://id.wikipedia.org/…/Taman_Nasional_Bantimurung-Bulus…

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