「黑洞係橙色嘅?」*淺談乜嘢係黑洞(What are black holes?)

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(*CCTVB新聞講嘅,好似係。PS:黑洞當然唔係橙色啦!
光環中間暗咗嘅地方先係黑洞,幅圖啲顏色亦係為方便理解,人工加上去。
詳細可以睇番友
page《小林斯洛過勞死物理學家的女僕龍》嘅講解[1]

最近最hit嘅物理學話題當然就係黑洞(black hole)啦!冇幾耐之前,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)團隊開記者會發表咗位於M87,又叫室女A星系中心超巨形黑洞(supermassive black hole)嘅成像相片,科學家終於第一次直接觀察到黑洞,「影到」佢嘅真身啦[2]!鑑於全球(包括極端功利主義、科學=晒銀時嘅香港)都講同關注哩個話題,等小弟都趁風講吓黑洞啦!不過唔同一般其他報導同近期嘅相關科普文,今次小弟想講吓乜嘢先係黑洞同釐清一般人對黑洞嘅常見誤解。


黑洞其實係一個「禿頭」嘅波(Black holes are “balls with no hair”)

一聽到黑洞,乜嘢黑洞奇點(black hole singularity),唔知點解好多人腦海入面就會浮現好多FF,好似一入咗黑洞就可以脫離物理世界束縛,任意違反物理定律,甚至去咗第二個完全唔一樣嘅平行宇宙咁。

事實物理學家口中所講嘅黑洞真係咁?當然唔係啦!首先,黑洞係3維,唔係一個2維嘅「窿」嚟。就好似《Interstellar》套電影模擬嘅黑洞咁,黑洞係一個3維嘅「窿」,一個黑色嘅球體。之所以睇嚟係黑色係因為黑洞嘅重力強大到會產生出(2維嘅球面)事件視界(event horizon),一條會將宇宙時空從此永遠分割開嚟嘅邊界,任何物質包括光在內一跌入哩個邊界都走唔甩。正確嚟講事件視界先係黑洞嘅本體,如果一個天體冇事件視界嘅話,理論物理學嚴格上其實唔可以叫黑洞#。如果附近有物質/光(曾經有都得),咁喺黑洞事件視界外圍就會有光子球層(photon sphere)—即係光圍繞黑洞公轉,好似地球圍繞太陽公轉咁由光形成嘅球面層,同物質、氣體被黑洞吸食而發生劇烈碰撞、發生強光嘅吸積盤(accretion disk)出現。詳細有關M87黑洞幅成像相入面啲特徵嘅描述及背後形成原因可以睇下面《Veritasium》嘅短片(中文字幕):

#所以霍金晚年先會因為黑洞火牆(black hole firewall)爭論,改口話現實世界黑洞可能唔存在,只有擁有表觀視界(apparent horizon)灰洞(grey hole)存在 [3, 4]


撇除位處黑洞最中心,奇點哩樣未知、現有已被驗證嘅物理學理論尚未能描述嘅嘢之外,黑洞其實係一個非常「無聊冇內涵、禿頭」嘅黑色波嚟。乜話?黑洞原來係無毛,「禿頭」嘅?係吖,黑洞係「禿頭」,一個「光頭佬」嚟㗎 [sosad] 當然哩個講法只係形象化嘅比喻,小弟所謂「禿頭」、「冇內涵」其實係講𡁵黑洞嘅無毛定理(no-hair theorem)^。哩套黑洞無毛定理講嘅係無論黑洞本身一開始由乜嘢物質組成,你放乜嘢入去,我哋最後都淨係需要用質量、電荷同角動量哩三個參數去完全描述哩個黑洞,好似下面幅圖所表達咁。詳細有關黑洞無毛定理嘅解說可以睇下面BBC 2016 Reith Lecture 嘅短片(英文):

https://www.bbc.co.uk/programmes/p03gl17j

另外亦可以睇番小弟之前為緬懷霍金而寫嘅拙文同下面網上嘅文章[5, 6]

^ 唔好問點解物理學家要幫個定理改個咁嘅名,小弟一直都講笑話物理學家唔識算命,成日「改壞名」[sosad]


常見嘅黑洞誤解(Common black hole misconceptions)

講完乜嘢係黑洞,跟住落嚟就等小弟講吓一啲普通人對黑洞嘅常見誤解啦!

1. 黑洞奇點係乜?答案係冇人知,小弟之前喺其他拙文同哩篇文上一段都已經提過。普遍理論物理學界相信奇點(包括大爆炸奇點)哩樣嘢係代表著廣義相對論(General Relativity)喺哩個時候開始失效,需要用另一套更完整嘅理論去解釋、描述發生𡁵乜事。一般相信用量子重力理論(quantum gravity)描述時,即係當我哋將量子力學同廣義相對論加埋一齊考慮嘅時候,奇點會變返做有大小、密度唔再係無限大嘅一樣嘢。正如牛頓萬有引力嘅平方反比定律(inverse square law)咁:公式雖然話當兩樣嘢(唔計黑洞)距離=0時,->重力=無限大,出現類似嘅數學奇點,但事實係物件唔係體積為0嘅一點物質,而且當物件非常接近時原子間會出現斥力,現實哩個情況係唔會發生。不過冇人知現實世界正確嘅量子重力論係邊套,所以物理學家而家只係得假說理論去估同想像黑洞奇點嘅情況。有興趣想了解多啲奇點喺數學同物理學嘅意義可以睇下面《PBS Infinite Series》同《PBS Space Time》嘅短片 (英文)


2. 跌入黑洞時會發生乜事嘅常見錯誤講法:「當你穿過黑洞事件視界嗰刻就會因為潮汐力(即因為重力喺兩點間嘅差異而形成嘅拉扯力)被「意粉化」(Spaghettification)分屍。」哩個講法其實唔啱,邊到會出現足夠將所有嘢「意粉化」嘅潮汐力其實係取決於重力場微分差異嘅大小,換言之即不單單淨係黑洞嘅質量成正比(有關公式同討論可以睇[7])。一個超巨型黑洞,即好似M87黑洞,重太陽好多好多倍、喺星系中心嗰啲,佢嘅事件視界可以好龐大,但事件視界外圍同附近嘅潮汐力就好弱,經過事界嗰刻你未必會發覺得到,要進入到事件視界入面好深重力微分差異先會足夠強大到會出現「意粉化」嘅潮汐力;但一個恆星質量級別嘅黑洞,事件視界會細好多,你未去到事界強大嘅潮汐力已經會將物件「意粉化」。

3. 「黑洞放出霍金輻射(Hawking radiation)證明咗愛因斯坦係錯,現實有物質能夠以超光速逃離黑洞。」哩個錯誤嘅講法應該係源於對霍金輻射背後機制嘅誤解。黑洞會放出霍金輻射唔係因為事件視界內有嘢以超光速逃出黑洞,哩個現象其實係同真空波動(vacuum fluctuations)有關,喺事件視界發生嘅量子力學效應嚟。哩個效應係將量子場論(quantum field theory,QFT)擺喺黑洞事件視界時得出真空平衡被打破嘅結果。效應同喺彎曲時空背景下,量子力學嘅真空物理態(vacuum state)其實唔係絕對,反而係相對於黑洞事件視界外面同裡面嘅觀察者有關。真空係相對係話一位事界內跌𡁵入黑洞嘅觀察者同另一位喺事界遙遠之外嘅觀察者,佢哋兩者見到嘅真空其實唔一樣。詳細嘅解說可以睇下面《Sixty Symbols》、《PBS Space Time》嘅短片同小弟之前嘅拙文[7]。

https://youtu.be/IRcmqZkGOK4 (英文)

https://www.bilibili.com/video/av22086827/ (殘體字幕)


4.「霍金輻射唔存在,事件視界係一面火牆?」哩個講法應該係源自近年有關黑洞火牆論嘅爭辯,其實現時物學家仲未有定論。要了解點解會出現哩套新理論,我哋要首先了解吓黑洞嘅特性。黑洞有一個非常獨特嘅特性,就係佢會毀滅資訊。上一段無毛定理提過根據廣義相對論(假設冇任何修正),無論佢「食」乜嘢入去最終得到嘅嘢都大同小異,淨係質量+電荷+角動量就夠描述個黑洞,而且最化成一堆霍金輻射。哩個現象違反咗量子力學同物理學家一直相信嘅資訊守恆定律(conservation of information),叫黑洞資訊悖論(black hole information paradox),正正就係量子力學同廣義相對論兩個理論間出現矛盾嘅其中一個地方。咁究竟係前者出現問題需要修正,宇宙入面嘅資訊真係可以被毀滅,定係廣義相對論出錯呢?哩個問題係物理學界現時未解嘅重大謎團之一,亦係霍金晚年一直研究嘅課題。黑洞火牆論就係同哩個悖論有關嘅近年假說理論之一。詳細有關黑洞資訊悖論同黑洞火牆論嘅解說可以睇下面《Kurzgesagt – In a Nutshell》同《Sixty Symbols》嘅短片:

https://youtu.be/yWO-cvGETRQ (中文字幕)

https://youtu.be/XE5PNbsUERE (英文)


希望大家睇完小弟哩篇拙文後對黑洞嘅了解多咗,唔會犯好似事事旦旦CCTVB話「黑洞係橙色」畀人恥笑嘅錯啦!最後喺文章完結前,鑑於近期嘅政治新聞同「送中」條例即將來臨,容小弟分享一下前幾年香港電影金像獎最佳電影《十年》嘅宣傳片作結。

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1]https://www.facebook.com/kobayashishirophysicsmaiddragon/photos/a.166186680750879/325858794783666/?type=3&theater

[2] https://www.hkas.org.hk/2019/04/10/人類史上第一張超大質量黑洞成像/

[3] http://www.chinadaily.com.cn/interface/yidian/1120781/2016-07-11/cd_26042544.html (殘體勿屌)

[4] 《Event Horizons and Black Holes》by Sixty Symbols

[5] 《[我見過霍金,我真係見過*] 淺談霍金學術成就(一)(Hawking academic achievements I)》

[6] 《“熵”-黑洞無毛卻有熵》(殘體勿屌)

[7] 《Black Hole and Tidal Forces – Space Math @NASA》

[8] 《 叮噹法寶物理原理大解構 [三] 》

[9] 《The Problems with Black Holes》by Sixty Symbols


白話文版:https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E9%BB%91%E6%B4%9E%E6%98%AF%E6%A9%99%E8%89%B2%E7%9A%84-%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%94%9A%E9%BA%BC%E6%98%AF%E9%BB%91%E6%B4%9E-what-are-black-holes-18c51efdbf34

1 thought on “「黑洞係橙色嘅?」*淺談乜嘢係黑洞(What are black holes?)

  1. Pingback: 《諾貝爾物理學獎(一半)2020相關研究「專業」簡介》 | 論盡物理宇宙 – 某80後物理學博士的科普blog

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