愛因斯坦的相對論又贏了！
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【科普文分享】首探測黑洞後光回波 再證廣義相對論正確／小肥波
／／最新刊於《自然》的研究指，首次探測到來自黑洞後面的光回波 (luminous echo) ，再次證明愛因斯坦的廣義相對論正確。
團隊研究的是距我們 8 億光年遠的 I Zwicky 1 螺旋星系中心的一個超大質量黑洞發出的 X 射線，並發現到該意想不到的現象。
除了預期來自黑洞前方的 X 射線閃光外，團隊還從最初無法定位的起源檢測到一些光回波。更奇怪的是，這些光回波較小、觀察到的時間稍為晚，並且與從黑洞前面看到的耀斑具有不同顏色。
團隊很快意識到這些光回波是從該超大質量黑洞後方傳來，再次證明廣義相對論所說正確。史丹福大學天體物理學家 Dan Wilkins 解釋，進入黑洞的任何光都不會出來，所以我們理應看不到黑洞後面的任何東西；團隊能看到來自黑洞背後的光，是因為黑洞正在扭曲空間、屈曲光線並扭曲自身周圍的磁場。
愛因斯坦的廣義相對論描述了大質量物體如何扭曲宇宙結構，亦稱為時空 (space-time) 。愛因斯坦發現，引力不是由看不見的力產生，而只是我們在物質和能量存在下時空彎曲和扭曲的經驗。
這個彎曲的空間為能量和物質的運動方式設定了規則。就算光沿直線傳播，穿過高度彎曲如黑洞周圍空間的時空區域，光也將沿曲線傳播，在這種情況下，就可從正面見到來自背面的光。
這不是天文學家第一次發現這種稱為「重力透鏡效應 (gravitational lensing) 」的黑洞扭曲光，但這是學界首次直接看到來自黑洞後面的光回波。
團隊最初並不打算證實愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論。相反，他們希望使用歐洲太空總署的 XMM-牛頓和美國太空總署的 NuSTAR 太空望遠鏡來觀察黑洞事件視界 (event horizon) 外形成的超熱粒子雲發出的光。
該些超熱雲繞著黑洞，並在落入黑洞時被加熱。團隊稱，超熱雲的溫度可以達到攝氏數百萬度，將粒子雲變成磁化等離子體，電子會從原子上甩出。黑洞的旋轉則會導致離子體的組合磁場在黑洞上方形成弧狀並最終破裂，從而釋出 X 射線。 Wilkins 指，這個磁場被束縛，然後靠近黑洞，加熱周圍的一切，並產生高能電子，然後繼續產生 X 射線。
團隊下一步將更詳細地研究光線如何在黑洞周圍彎曲，並研究產生這種明亮 X 射線閃光的方式。
來源：
Live Science, Light from behind a black hole spotted for 1st time, proving Einstein right, 29 July 2021
報告：
Wilkins, D.R., Gallo, L.C., Costantini, E. & et al. (2021). Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole. Nature 595, 657–660 (2021). doi: 10.1038/s41586-021-03667-0／／
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第四部分「為何感覺不到地球公轉？牛頓：重力平衡向心力；愛因斯坦：如何分辨重力場和加速度」
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終於來到本文最後一個問題：為何感覺不到地球公轉？前港大理學院院長郭新教授曾經指出在Google上搜尋問題的解釋當中，找不到一個是正確的。
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他發現網絡上的答案大多說「根據慣性定律，不可能測試慣性參考系是否正在移動」。可是地球並非慣性參考系，因此用慣性定律去解釋是不嚴謹的。利用牛頓力學，正確的答案是「太陽吸引地球以及地球上所有人類的力，完美平衡了地球（和地球上的人）公轉所需的向心力」。
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可是我們可以追問：有沒有比牛頓力學更基本的解釋？有的，而且與之前討論過的炮彈思想實驗有關。這就要由愛因斯坦（Albert Einstein）的另一個思想實驗說起。
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愛因斯坦可說是利用思想實驗的專家。在1907年，即是他發表狹義相對論的兩年後，他想像有一部升降機，裡面有個可憐的人。突然，吊著升降機的纜繩斷掉，升降機裡面的人會失去了重力的感覺，「漂浮」了起來。
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然而我們知道，這是因為升降機和他都以相同的加速度向下自由落體。而如果升降機真的在空無一物的宇宙深處之中，以與地球重力加速度同等數值的加速度向「上」加速，那麼他就會被升降機的地板向「上」推，使他感覺到與身處地球表面一樣的體重。
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如果他看不到升降機外面的環境，他就不可能分辨自己究竟是在外太空被升降機地板向「上」推，還是與升降機靜止在地球表面。換句話說，任何物理學實驗都不可能分辨他「究竟這是在重力場中的自由落體，還是漂浮在遠離任何星體的宇宙空間裡」！
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愛因斯坦後來稱這個思想實驗為他「一生中最快樂的思想」。透過這個思想實驗，愛因斯坦驚訝地發現，在局部的情況下，沒有任何實驗能夠分辨重力場和加速度。
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換句話說，重力場就是加速度，加速度就是重力場，兩者是「相同的物理現象」！這個發現被稱為等效原理（equivalence principle）。等效原理是他在1915年發表廣義相對論的核心概念。
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地球正在向太陽「墜落」、太空站也正在向地球「墜落」。根據等效原理，我們不可能在局部情況下分辨到底地球或太空站究竟是正在「墜落」、還是在遠離一切重力場的宇宙空間之中。因此，我們不可能感覺到地球正在環繞太陽公轉，因為如果我們能夠感覺到地球公轉的話，就等於說我們能夠分辨重力場和加速度！
所以「為何感覺不到地球公轉？」的答案，是因為等效原理。不過要留意，這只是理論上的解釋。等效原理只會在無限小的局部（locality）環境中成立。但升降機並不是無限小的（這一點相信不用解釋）。
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源自一個星球的重力吸引方向是向心的。但在升降機裡的各個物體的加速度卻是平行向「上」的。因此，如果在升降機的兩側各放一個蘋果，我們就可以從兩個蘋果相距的距離分辨出升降機到底是在真正無重力的宇宙空間中，還是正在地球重力場中作自由落體。
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隨著時間過去，如果升降機真的在宇宙中，真的沒有重力作用於兩個蘋果之上，它們之間的距離就應該維持不變；如果升降機是在自由落體，指向地球中心的重力就會作用於兩個蘋果之上，而這兩個力並不是平行的，因此它們之間的距離就應該漸漸縮短。
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當然在現實中並不可能進行升降機實驗，但我們仍然能夠從一些自然現象中找出端倪。例如潮汐漲退就是地球、月球和太陽三者的重力效應，所以潮汐就是地球真正位於重力場裡的證據。
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但這仍只代表地球在重力場之中，並不代表地球正在公轉，地球可能是在直線向太陽墜落。加上之前提過的地球自轉，以及星星、太陽和月亮的周日和周年位置變化，我們就能得出地球必然正在公轉的結論。
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同理，我們感覺不到整個太陽系都在環繞銀河系中心公轉的原因，也是基於等效原理。
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最後，如果想用天文觀測證明地球會公轉的話，其實並不太困難。試試輪流遮住左眼和右眼看同一件物件，會發現物件相對背㬌的位置有所改變，這叫做視差（parallex）。利用相同原理，在相距半年的時間內，觀察同一顆星星相對背㬌星空的位置，我們會發現會有細微的變化。
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因此，結論仍然是「人類相比宇宙實在太渺小了」。
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