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2021-08-27 05:48:02PChome書店

牛津通識課「宇宙篇」黑洞:扭曲時空之地


牛津通識課「宇宙篇」黑洞:扭曲時空之地
作者:凱薩琳‧布倫戴爾(katherine mary blundell) 出版社:日出出版 出版日期:2021-08-02 00:00:00

<內容簡介>

除了吞噬星體,連光都不放過,
關於奇異的黑洞,你可以知道更多!

打開牛津大學出版社最受歡迎通識讀本,
跟著權威學者跳脫時空,
用最簡明的方式破解黑洞之謎!

人類是如何發現黑洞的存在?
黑洞真的完全是黑的?
物質掉進黑洞會怎樣?
如果一個黑洞掉入另一個黑洞,又會發生什麼事?

「黑洞」是宇宙中最奇特的天體之一,
也是人類想像力的極限之地。
其神祕危險又充滿吸引力的形象,
讓人們認為只要揭開黑洞之謎,就能找到關於宇宙形成的終極答案。

本書從黑洞的形成與擴張、黑洞的本質與特徵開始說起,
帶你穿梭各個星系,
觀賞超巨大的「怪獸」黑洞與其引發的各種奇異現象,
介紹與黑洞相關的理論基礎與研究發展。

你將在超乎想像的遊歷過程中,
建立關於黑洞的基礎知識框架。

【關於牛津通識課】
牛津通識課(Very Short Introductions,簡稱VSI)是牛津大學出版社(Oxford University Press)的系列叢書,秉持「為所有讀者提供一個可讀性強且包羅萬千的工具書圖書館」的信念,自1995年出版以來,該系列內容涉及歷史、神學、藝術、哲學、文學、醫學、自然科學、政治等數十多種領域,出版近七百本讀物。每一本書對應一個主題,都由該領域公認的專家撰寫,篇幅簡潔精煉,並提供進一步深度閱讀的建議,確保讀者讀完後能建立該主題的專業級知識框架。

VSI系列上市以來取得了極大的成功,已被翻譯為二十五種語言,全球銷量超過一千萬冊,其中許多讀本被選為大學入門教材。

「牛津通識課?宇宙篇」精選重力、行星、光與黑洞四個宇宙學最熱門、最基礎的主題,透過專業簡明的論述與圖表,迅速建立關於宇宙的知識架構。

★目錄:

第一章:黑洞是什麼?
第二章:時空導覽
第三章:黑洞的特性
第四章:掉進黑洞
第五章:黑洞的熵與熱力學
第六章:如何測量黑洞的重量?
第七章:吃得更多,長得更大
第八章:再談黑洞,以及其他
致謝
延伸閱讀

<作者簡介>

凱薩琳‧布倫戴爾(Katherine Mary Blundell)
英國牛津大學天體物理學教授,牛津大學聖約翰學院(St. John’s College)高級研究員。其研究領域主要為宇宙中的極端能量現象,包括:黑洞、天體物理噴流、活躍星系等。

譯者:葉織茵
專職譯者。譯有《拿破崙並不矮:歷史寫錯了!》、《10分鐘入禪休息法》。
聯絡信箱:esmeyeh@gmail.com,歡迎各方賜教。

★內文試閱:

第一章 黑洞是什麼?(摘錄)

黑洞是太空中重力極強的區域,任何粒子運動的速度再快,也無法快到從黑洞的內部向外逃逸,就連光也不行。起初,黑洞只是理論物理學家馳騁想像力的產物,但時至今日,宇宙中證實存在的黑洞已有數百個,推論存在的則高達數百萬個。黑洞會與周圍環境交互作用並造成影響,我們看不見這些天體,但仍能清楚探測到這些交互作用,而這些交互作用會有什麼特性,則端看它們發生的地點與黑洞相距有多遠:距離太近就無法逃逸,距離一拉開,又會發生某些壯觀而劇烈的現象。

一九六四年,安.尤因(Ann Ewing)在一篇報導一九六三年德州研討會的文章中,首次提到「黑洞」這個詞,卻沒說明這個詞是誰發想出來的。一九六七年,美國物理學家約翰.惠勒(John Wheeler)想用更簡單的說法來描述「重力完全塌縮的恆星」,才開始推廣「黑洞」一詞。不過,早在一九三九年,另外兩位美國物理學家勞伯.歐本海默(Robert Oppenheimer)與哈蘭.史奈德(Hartland Snyder),就發展出「塌縮星」的概念。如果再追溯下去,最早其實是在一九一五年,當德國物理學家卡爾.史瓦西(Karl Schwarzschild)以太空中不旋轉的孤立球體為例,初步解開愛因斯坦場方程式(即廣義相對論的重力場方程式組),就已經為近代物理學描述的黑洞奠定數學基礎。

二十年後,印度物理學家蘇柏曼揚.錢卓斯卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)搶先一步在英國發表論文,比歐本海默與史奈德更早開始探討恆星衰亡過程的現象。後來亞瑟.艾丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)審查錢卓斯卡的論文,也成功導出部分關於黑洞的數學式,而這項運算結果的物理意義,就是大質量恆星耗盡燃料後會塌縮成黑洞。然而一九三五年,艾丁頓爵士自己在倫敦皇家天文學會(Royal Astronomical Society)會議上,卻將這項發現斥為「荒謬」。儘管這個想法看似荒謬,但事實上,黑洞在銀河系乃至整個宇宙中都是不容忽視的物理現實。

到了一九五八年,戴維.芬克斯坦(David Finkelstein)在美國更進一步推論,黑洞最外圍有一層單向膜。這項推論在當時廣受認可,也是本書後續章節討論的重點。一旦跨入這層最外圍的單向膜區,黑洞內部的重力拉力就會強到連光也逃不掉,這正是黑洞之所以為「黑」的原因。要了解這一類黑洞行為可能的成因,就要先知道,物理世界具有一項發人深省的特徵:任何粒子或物體的運動速度都有其上限。

多快才算快?

按照叢林法則,想躲開掠食者就要跑得夠快,除非你特別機靈或善於偽裝,不然一定要夠敏捷才能生存。哺乳動物逃離險境的最大速度,端看質量、肌力與代謝作用間複雜的生化關係,而宇宙中實體運動的最大速度,則取決於無質量粒子的運動速度,例如「光的粒子」──也就是光子(photon)。這個最大速度值,可以精確定到每秒299,792,458公尺,相當於每秒186,282英里,比聲音在空氣中傳遞的速度快了將近一百萬倍。假如能以光速行進,從英國到澳洲就只需要十四分之一秒,幾乎是一眨眼的工夫。光從離我們最近的恆星太陽行進到地球,只要八分鐘,而一顆光子從離我們最遠的行星海王星出發,只要數小時就能抵達地球。因此,我們會說太陽距離地球八光分,而海王星距離地球數光時。這麼一想,倒是很有意思,如果太陽停止發光,我們要過八分鐘才會發現,而如果海王星突然變紫色,我們則要過數小時才會觀察到這個重要資訊。

現在想想看,當光從太空中更加遙遠的地方回到地球,運動速度可以有多快?銀河系包含我們居住的太陽系,直徑約為數十萬光年(light-year),換句話說,光從銀河系一端行進到另一端,需時數十萬年。

銀河系是本星系群重要的一員,而最靠近本星系群的星系團則是天爐座星系團(Fornax cluster),離我們有幾億光年。因此,如果天爐座星系團的一個星系裡,有一顆繞著恆星轉的行星,行星上有一個觀察者正望向地球,那麼他只要用對儀器,就有機會看到恐龍左搖右擺,在地球上漫步。

光的運動看起來會這麼遲緩而費時,純粹是因為宇宙浩瀚得超乎想像。光速作為宇宙中物體運動速度的極限,會產生奇妙的效應,等我們開始思考火箭如何上太空,就會明白這一點。

逃逸速度

如果要發射火箭到太空,發射速度卻太慢,火箭就沒有足夠的動能(kineticenergy)來掙脫地球的重力場。然而,如果火箭的速度剛好夠掙脫地球重力的拉力,我們會說這架火箭已經達到逃逸速度(escape velocity)。當火箭要脫離大質量天體(如:行星),天體的質量越大,火箭距離天體的質心(center of mass)越近,火箭的逃逸速度就越大。……重力無時無刻不在起作用,所以會將火箭拉向行星或恆星的中心,也就是拉向天體的質心,逃逸速度的值則與火箭的質量毫無關係。因此,如果有一架火箭,從距離地球質心約莫六千四百公里的卡納維爾角(Cape Canaveral)出發,那麼不管火箭內部的有效載重是數支羽毛,或數架大鋼琴,逃逸速度的值都一樣,比每秒十一公里略微多一點,約為聲速的三十四倍(可以寫成三十四馬赫)。

現在,假設我們可以將地球全部質量收縮,讓地球佔據的體積變小,半徑變成原本的四分之一。這時從距離質心六千四百公里處發射火箭,火箭的逃逸速度仍然維持不變,但如果轉移陣地到這顆新地球的表面上,從距離質心一千六百公里處發射火箭,逃逸速度就會變成原來的兩倍。

我們再假設發生一場災難,導致地球全部質量收縮成一個點,再也沒有任何空間延度,此時這個點就稱作奇點(singularity)。原本的地球從此變成一個「質點」(point mass),一個在太空中佔據零體積的大質量天體。在距離奇點近到只有一公尺處的地方,逃逸速度將遠大於在一千六百公里處,約為光速的十%。倘若繼續靠近,直至距離奇點不到一公分處,逃逸速度就會等於光速,此時連光本身的速度也不足以逃離重力拉力,而這正是掌握黑洞運作原理的關鍵觀念。