【從天而降的大糞石】
有沒有想過,如果一覺醒來,你家旁邊多了個惡臭的玩意,移都移不走,你會怎麼辦呢?
這次分享的短篇〈天外飛石〉就是這麼個科幻故事,但除了人類面對這樣問題,所提出各種解決方案之外,作者柏納·韋柏還腦洞大開,想到了這可能是外星人的陰謀......
一起來看看這部有趣的短篇小說吧。
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天外飛石 / 柏納·韋柏
這個「東西」,看起來像顆隕石,如果是的話,那就是破天荒有一顆隕石,不偏不倚一頭砸在了盧森堡公園的正中央,正在巴黎的心窩上。這下震動可不小,周圍的建築物,都隨著這三月清晨裡的一聲巨響而顫抖不已,仿佛有一顆炸彈在附近爆炸一樣。
幸運的是,隕石是在清晨掉下來的,並沒有造成多大的傷亡,只砸著了三個早晨起來散步的人,據說還是毒品販子。不然你說,他們這麼大清早的在盧森堡公園裡能幹點啥?還有幾位就有點不幸了,本來身子就弱,因為這驚天動地的巨響而心臟病突發了。
「令人驚訝的是,這個東西並沒有造成更大的破壞,」一位傑出的科學家這麼說,「它就像是被輕輕地放在了地上,根本就不像是被拋過來的。」
但是,人們還是得面對一個嚴峻的問題:從此以後,這塊世界最著名的綠地中心,就多了這麼一塊直徑大約70米的石頭。馬路上的行人都聚過來看熱鬧。
「怎麼……怎麼這麼臭!」有人嚷嚷了起來。
真的,這塊隕石正散發著陣陣臭氣。被緊急叫來援助的天文學家解釋說:有時候,隕石得穿過由大量硫化氣體組成的星際雲層,臭味可能是從那裡帶來的。
媒體從來對此類「爆炸新聞」趨之若鶩,忙不迭地把這塊隕石命名為「太空排泄物」。而且公眾已經在苦思冥想,哪位外星巨人才能拉出這麼碩大無比的一坨。
當北風吹來的時候,南邊所有的街區都彌漫著一股令人作嘔的氣味,令人不適。緊閉門窗根本就無濟於事,空氣中總是彌漫著那股刺鼻的惡臭,那股嗆人的,濃厚的,恐怖的氣味。為了「自衛」,婦女們拼命往身上噴最濃的香水,男人們則戴上塑膠孔或者活性炭的口罩,那引人注目的程度,比防毒面具也好不到哪去。回到家裡,身上的衣服還留著這股頑固的臭味,要用大量的水洗好幾次才能重新穿。
這股味道一天比一天令人窒息,人們開始推想,隕石內部是不是可能有一大團有機物正在腐爛……
甚至蒼蠅都被噁心得對它敬而遠之。
沒有誰能在這股臭味中漠然處之。鼻粘膜被刺激著,喉嚨冒著火,舌頭也變得異常沉重。哮喘病人咳嗽不止,感冒的人也不敢用嘴巴呼吸,連狗都發出了哀嚎。
一開始,隕石吸引了全世界的目光,遊客紛至遝來。可是很快,這塊「太空排泄物」就變成了巴黎乃至整個法國的頭號難題。
居民都搬走了,一時間,盧森堡公園附近空無一人。根本就別想星期天早晨去那跑步了,房租也一蹶不振。而且隨著這團臭氣的範圍不斷擴大,附近居民們被迫遷移得越來越遠離這個首都災區的中心。
該路政部門大顯身手了,於是起重機、絞車一齊上陣,鉚著勁兒要把這個龐然大物扔到塞納河裡去,企圖讓它順流而下,漂到大西洋去。至於污染問題……已然顧不上那麼多了。
「開戰!」市長一聲大吼。但是沒有一台機器能吊起這坨直徑70米的「排泄物」。於是大家又想乾脆把它炸了吧。可是它密度太高,太堅硬了,別說炸碎了,在上面劃道印子都難。
看來消滅不了,那就只好想一些和平共處的法子了。
有個年輕的工程師,叫弗朗索瓦·查威格諾爾,他想出了一個主意:「既然搬又搬不動,炸又炸不掉,咱們就用混凝土把它一裹,這樣味道就出不來了。」怎麼早點沒想到呢?說到做到,市長一聲令下,工程啟動,展開了後來人們稱之為「糖衣行動」的行動。最快的混凝土攪拌機和最堅固的水泥源源不斷地從全國運來,隕石被裹了足足有10公分厚的外衣。可是,臭氣仍然在往外冒。於是,工程隊員又將外衣加厚了20公分,還是沒效果。就這樣周而復始地裹了一層又一層,水泥填水泥,外面又塗上混凝土。
辛辛苦苦地忙活了一個月,隕石的表面裹了一層一米厚的混凝土,看起來就像一個圓角的大魔方,可是那股噁心的味道依然不減。
「混凝土上的孔太多了!」市長當機立斷,「得找一種滲透性弱的物質。」
查威格諾爾建議使用石膏,據他說,石膏具有無與倫比的吸收性。它會像一塊大海綿一樣把臭味吸得乾乾淨淨。
毫無疑問,這次行動又失敗了。於是,人們又在石膏外面加了一層玻璃棉,據說一層玻璃棉,一層石膏,這樣外壁就像房屋的牆壁一樣了。
大魔方變得橢圓了一點,但是臭氣絲毫未減。
「得找一種材料,一絲氣味都放不出去!」市長怒吼了。
大家的眉頭都皺了起來,上哪去找這種能堵住如此臭氣的材料啊?
「玻璃!」查維諾格爾大叫。
怎麼早沒想到呢?玻璃!用這種細緻的,沉實的,密不透氣的物質肯定能造出最堅固的抵禦臭氣的盔甲。
工人們把矽石融化成橘黃色的灼熱的溶漿,塗在那個直徑70多米的隕石表面上(混凝土、石膏、玻璃棉已經增大了它的體積)。
玻璃冷卻後,隕石看起來像一顆圓溜溜的晶瑩剔透的球。儘管它碩大無比,卻依然散發著一種莫名的美。終於,臭味消失了。玻璃戰勝了這場無妄之災。
巴黎到處都在狂歡慶祝,防毒面具和碳過濾器被通通拋向空中,居民也從郊區搬了回來,城裡到處都有大大小小的舞會。人們還繞著這個熠熠生輝的圓球周圍跳起了法蘭朵拉舞。
好幾個強力探照燈照亮了圓球的表面。有的巴黎人已經把盧森堡公園裡的這個龐然大物稱為「世界第八大奇跡」,同時把自由女神像歸為一個小小的、簡簡單單的小雕像,因為她的大小在隕石面前太微不足道了。
市長就此發表了演說,他提到:「很自然的,這個巨球應該在擁有全國最好足球隊的城市安家。」台下掌聲雷動。在歡笑聲中,所有受過的罪都被遺忘了。弗朗索瓦·查威格諾爾被授予城市勳章,這位年輕的科學家站在這個無比光滑的超級大球旁邊,閃光燈在周圍哢嚓亂響,讓這一刻永垂不朽。
這時候,在另外一個星球上,珠寶商格拉普納·烏維特掂量著是時候收回他的垃圾了。
「太妙了!」半人馬星來的女客戶激動地大叫,「我從來沒見過這麼美的養殖珍珠。您是怎麼加工的啊?」
格拉普納的嘴角露出一絲微笑。
「這可是個秘密。」
「您不再用那些珍珠蚌了?」
「不用啦,我想到了另外一種技術可以做得更有質感,更有光澤。當然啦,珍珠蚌會分泌珍珠質來包裹住雜質,但是拋光效果就不是那麼完美無缺了,但是用我的新技術,您瞧,多可愛啊!」
女客人八隻圓鼓鼓的眼睛閃爍著,她把放大鏡套在最近的一隻眼睛上,仔細察看,這件珠寶完美精緻,在幽藍色的燈光下,閃耀著萬道金光。她覺得再沒有比這更奇妙的東西了。
「那您是用什麼動物還是用什麼機器來做的?」她又非常好奇的問。
珠寶商故作神秘狀,毛茸茸的大耳朵也激動得變紫了,他說他更希望保守這個發明的秘密。不過,他終於還是架不住女客人的一再追問,附到她耳邊悄悄地說:
「我用的是一種動物。他們很小很小,但是卻比珍珠蚌更知道怎樣製造好的珍珠。就這麼多了。您看,我是給您裝在珠寶盒裡,還是您現在就想戴上?」
「裝在珠寶盒裡吧。」
半人馬星來的這位客人對珠寶商開出的價錢有點望而卻步,但是她實在是太想得到這件寶貝了。毋庸置疑,這顆完美無瑕的珠寶將在他們半人馬星的晚會上製造出奇跡。她甚至已經想到了下次晚會上怎樣把它戴在她那八個乳房的胸前。
第二天一大早,珠寶商格拉普納·烏維特就迫不及待的用他的拔毛鉗又往盧森堡公園的正中央扔了一顆臭球,比上次的還要大,還要「香」氣撲鼻,而且不偏不倚還在上次那個地方。從提高生產力的角度出發,他又往莫斯科紅場、紐約中央公園、倫敦皮卡迪裡圓環廣場各扔了一顆。這樣,他馬上就要發財啦。如果一切進展順利的話,他計畫在這個太陽系的小行星上每年養殖50~100顆這樣的「珍珠」,而且幾乎沒有什麼成本,只要在道具專賣店裡買個臭烘烘的球,惡作劇就可以開始了。當然,接下來要非常仔細地洗手才能把那股怪味去了,但是這也值啦。
半人馬星女客戶的朋友們對這顆從珠寶商格拉普納·烏維特那買來的「養殖珠」讚不絕口。一下子,大家都想要同樣的「珍珠」了。
同時也有6部Youtube影片,追蹤數超過3萬的網紅李祥數學,堪稱一絕,也在其Youtube影片中提到,成為這個頻道的會員並獲得獎勵:https://www.youtube.com/channel/UCU2axN3MDyvq01LOK1umZGQ/join 追蹤我的ig:https://www.instagram.com/garylee0617/ 加入我的粉絲專頁:https://www.face...
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美國總統大選歷經四天馬拉松開票,第46任總統及副總統當選人終於誕生!民主黨的拜登和賀錦麗,發表勝選演說,拜登誓言會當一位全民總統,讓美國人再次團結一心。拜登說,「我立志成為一位不會製造分歧,而是會團結大家的總統,一位不看紅色州、藍色州,只會看到美利堅合眾國的總統。」,他還表示,「我們站在一個反省的時刻,我們有機會擊敗絕望,打造出一個繁榮和決心的國度,我們做的到,知道我們做的到,我們必須找回美國精神,我們國家在較善良的天使,和最黑暗的衝動之間持續戰鬥。」他把榮耀獻給支持者,呼籲大家放下歧見,現在應該是美國人團結一心的時刻,他說,「對那些投給川普總統的人,我知道你們今晚很失望,我自己也失利了好幾次,但現在給彼此一個機會,是時候拋開尖銳的言詞,降低衝突再次看著彼此,再次聆聽彼此,為了要有進展,我們必須停止把對手當成敵人。」一場將近15分鐘的勝選演說,拜登要癒合美國選民因選戰而分裂的心。
{內文}
(美國副總統當選人/賀錦麗)
喬 我們辦到了,你將是下任美國總統了
(華府民眾)
當我在遛狗時,手機響了,是一個朋友打來的 那頭傳來的全是歡呼聲,這已經勝過任何言語了
無論過程如何漫長曲折,這絕對是美國民主史上,最吊人胃口也最扣人心弦的一次翻頁,總統大選開票進入第四天之際,面對川普與拜登陷入停滯,雙方選舉人團票始終未跨越當選門檻的現況,僵在空氣中許久的寂靜終於在這一刻打破。
(CNN主播)
CNN現在預測,喬拜登當選第46屆美國總統,他贏得了白宮寶座,阻斷了川普總統的連任路
(FOX主播)
福斯新聞決策中心現在可以預測,前副總統拜登將會贏得賓州和內華達州,令他跨越足以當選的270張選舉人票過半門檻,成為第46任美國總統
美聯社開第一槍,CNN 紐時 BBC 緊跟在後,川普台福斯也俯首稱臣,全球主流媒體接連在美東時間7號中午時分,宣布民主黨總統候選人拜登擒下賓州的20張選舉人團票,跨越270張的當選門檻將成為第46任白宮主人。
(美國總統當選人/拜登)
我國人民已經發聲。他們給了我們清楚、明確的勝利,這是「我們人民」的勝利。我們贏得了美國總統選舉史上最高的票數 7400萬張 我不得不向各位坦承 選舉結果令我吃驚 今晚 我們在整個美國 各個城市 國家的各個角落 甚至是全世界各角落 都看見了溢於言表的驚喜 希望 以及對明日重燃了信念 希望未來會更好 你們對我的信任讓我心存謙卑。我承諾會成為一位不尋求分裂,而是尋求團結的總統 一位看不見紅藍州色之分 而是眼中只有美國的總統。
(美國總統當選人/拜登)
我打從一開始就表明,我的競選要代表美國,我認為我們做到了。如今 我希望我將領導的政府 也會是相同模樣 對於那些投票給川普總統的選民們,我瞭解你們今晚的失望。我自己也曾在選舉中輸過多次 ,但此刻,讓我們給彼此一個機會。是時候拋開嚴苛話語 是時候降溫選舉氛圍,要讓彼此面對面,要讓彼此再度聆聽對方 要讓彼此勝於過往,我們就必須停止視對手如敵。我們不是敵人,我們是同胞。聖經教導我們,天下萬物均有定時,建造有時,收割有時,栽種有時,醫治也有時。現在美國醫治療傷的時刻
從政40多年,三度挑戰白宮寶座,髮絲鬢白的拜登,在確定勝出後站上家鄉德拉瓦州的舞台發表勝選演說,他深知,在如此緊繃的賽局中勝出,必須穩定人心,
他告訴全美,眼前國家遭遇的一切困境 疫情 種族衝突,他不會像川普四年來那樣分化對立,他會找回美國失去的一切 恢復原狀。
(美國總統當選人/拜登)
如今, 競選已經結束了,人民的意願是什麼?我們的任務是什麼?我相信是這樣的:美國人呼籲我們將正義與公平的力量集合起來,將科學和希望的力量集合起來,以迎戰未來的挑戰。與疫情的戰鬥、為建立繁榮的戰鬥、確保家人健康的戰鬥,為這個國家爭取種族正義和剷除系統性歧視的戰鬥。拯救氣候環境的戰鬥、及恢復正義,為捍衛民主並讓這個國家每人都享有公平機會的鬥爭。我們的工作從控制疫情開始。若我們無法控制疫情,我們將無法修復經濟,恢復我們的活力,享受一生寶貴的時刻:擁抱孫兒、生日、婚禮、畢業,還有所有對我們最重要的場合。在星期一,我將委任科學家與專家擔任政府的過渡期顧問,協助我們計劃藍圖,在2021年1月20日實施。這項計劃將以科學為基礎,依憐憫、同理心與關懷的原則出發。我將竭盡全力,扭轉疫情。我以民主黨員身分光榮參選,我如今將成為美國總統。對於沒有投票給我的人,我也會全力以赴,無異於投票給我的民眾。此時此地,就讓美國妖魔化的灰暗時代結束。
在這晚,上台承諾要共同療癒美國傷痕的還有拜登的競選夥伴,打破美國政壇天花板,美國史上首位女性 首位非裔,也是首位身上流著亞裔血統的副總統當選人 賀錦麗。
(美國副總統當選人/賀錦麗)
今晚,那些無比奮鬥無比犧牲,替美國爭取自由平等的所有人,包括社會所忽略 且是經常被忽略的美國非裔婦女,如今她們證明自己是她們美國民主的骨架
(美國副總統當選人/賀錦麗)
在(非裔民權領袖)路易斯參議員辭世之前,他曾寫下這段話:民主不是有了國家就好,民主必須有所為,這句話的意思是,沒有人能保證美國民主能永久,唯有人民意志夠堅強,為它奮鬥 為它守護,且不把民主視為理所當然的一切,保護民主必會遍體麟傷,一定會有所犧牲,但過程中一定會有喜悅,因為「我們人民」擁有構築美好未來的強大力量
(美國副總統當選人/賀錦麗)
我也許會是第一個進入(白宮)辦公室的女性,但我不會是最後一個。每個今晚見證此刻的小女孩會看見,這是一個充滿可能性的國家
選舉勝敗已定,川普在入主白宮四年後壯志未酬未能連任,離去的這一步,要如何踏出,又或者說,好勝好強如他 會踏出嗎?
(CNBC主播)
川普總統似乎在打小白球,就在各家媒體宣布拜登當選後,CNBC現在播放的,就是總統在打小白球的畫面
正如同向來打破政治常規的習慣一樣,川普透過助手表示,他不會像過往選舉那樣發表"敗選演說",對他來說,接下來的一步,也是唯一一步,繼續在全美發動法律戰,控訴民主黨藉郵寄選票,偷走了本屬於他的選舉勝利,一如他在推文中的不認輸:「我早就贏得這場大選」「且贏了很多」。
(川普競選團隊辯護律師/朱利安尼)
是誰說選舉結束了,是所有人嗎?我的老天爺啊,不過是所有的媒體嗎?哇 是所有的媒體結束了選舉,原來可以不把法律是回事,法官的話也不算數嗎?所有的電視媒體,所有的電視媒體,所有的電視媒體原本以為拜登會贏10個百分點以上,老天啊,看看真實的數字吧,放馬過來啊,別愚蠢了,電視媒體無法替選舉定輸贏,而是法院好嗎
(美國選民)
人生中最美好一日
(美國選民)
今天決勝負了 謝謝上帝
而賓州,又一次在美國總統大選中,成為決定未來政治走向的關鍵搖擺州,四年前,把踐踏所有政治常規的局外人送進華府權力核心後,四年後,賓州尤其是郊區選民,以創紀錄的選票數目,拒絕了想佔領白宮的現任總統,他們轉而擁護拜登,希望他取而代之,成為新的橢圓形辦公室主人,企盼美國有四年時間,像全球證明,作為世界最古老的民主體制,不會再荒腔走板,絕對足堪世界表率。
https://www.youtube.com/watch?v=3t0SP_RUon
含主持人陳文茜解說完整版【美國大選特報】2020.11.08《文茜世界周報》
https://www.youtube.com/watch?v=6InL3nIMGbA
橢圓拋物面 在 余海峯 David . 物理喵 phycat Facebook 的最讚貼文
【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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