好書試閱

星星為什麼會發光


(部分試閱)


請在下一次的清朗無雲夜晚,走到門邊,閉上眼睛幾分鐘,讓眼睛適應黑暗,然後出門去朝上看。就算是幼兒也都會注意到,睡覺前床頭燈關上之後,房間就陷入一片黑暗,但是當半夜醒來時,即使在最微弱的光線下,也能看到東西的外型和輪廓。


如果你想真正的感受到夜晚星空的壯麗與震撼,請先讓自己的眼睛暫時休息,不受燈光干擾。當眼睛適應夜晚的黑暗之後,你絕不會失望。夜視力提升,而且人已經在室外,接下來改變視角。不再低頭,也不只是遠望,而是抬起頭,便會看到成千上萬顆星星驟然湧現眼前。你在黑暗中待得越久,夜晚的視力就越好,就會看到更多星星散布在天空中,閃著微光。


當你注視天空,可能會看到熟悉的對象,像是我們所說的星座,那是由星星排列而成的特殊形狀,例如獵戶座或是北斗七星;也會看到一些不熟悉的東西。但僅僅是凝視著夜空,注意著某顆星星的亮度或是位置,你便加入了從古至今世界各個文明中的許多人之中,他們也都受到美麗星空的震懾。自古以來,恆星與行星在人類社會中一直扮演著重要的角色——無論是宗教、文化與習俗的象徵,或是實際的導航工具。例如,星辰幫助人們在陸地上或是海上指引出方向、掌握季節的變換,進而促成了人類歷史上第一批曆法的誕生。


在現代世界中,我們已經失去了和夜空的親密聯繫,使我們難以察覺星辰隨季節變化的軌跡,也看不見那些偶爾造訪的彗星——星辰的光芒,全都被城市無時不在的光害所淹沒。如果你運氣好,居住在能夠看到星星的地方,可能會注意到月亮每天晚上的位置都會微微的不同,也可能發現那顆特別明亮的「星星」會在數月間緩慢地移動位置。古代希臘人也曾觀察到這些「會漫遊的星星」,稱之為「planetai」,意思是「流浪者」,今日的英文單字「planet」(行星)就是這麼來的。


(中略)


問題終於有了答案:氫是太陽和夜空中其他星星的燃料:核融合使得星星發出光芒。我不禁想到,如果我們看不到那些星星,還會有後續那麼多故事嗎?我們還是會想到「星星為何會發光」這類的問題嗎?我們會了解到太陽的本質嗎?如果地球繞著兩個恆星公轉,那麼地球的兩面都會是白天,就會只有無盡的白天而不會看到夜空,這時有什麼問題是我們根本就不知道該要提出來的? 有哪些知識和科技的進展是我們無法達成的?


我認為人類必須要深深感謝我們仰望夜空時所產生的好奇心。不只是因為這樣提供了我最喜歡的東西——黑洞相關的知識,還因為當我們了解到星星如何發光,必定也會讓我們思考另一個問題:如果恆星的燃料耗盡時會如何?恆星死亡時會發生什麼事?正是這些看似單純的問題,最終把我們引向黑洞。


你無法阻止明天的到來


(部分試閱)


每個人都有自己最喜歡的英文詞彙,這個詞彙的音節、子音和發聲時的嘴型不知怎地能夠帶來愉悅感。《魔戒》作者托爾金最寶貝的英文詞彙是「cellar door」(地窖門,編按:語言學和文學中討論「語音美學」的經典例子)。在英文中我最喜歡的是「spaghettification」(義大利麵化),我的嘴巴得多費點力才能夠說出這個詞,我的手指得在鍵盤上多敲幾下才能打出這個詞,我的腦得多動一下才能記得要怎麼拚這個詞(原注:太空很嚴苛,字詞更嚴苛)。但是我敢說,你說這個詞的時候一定會露出微笑,你甚至會發現在念spaghettification時,彷彿史恩康納萊上身。


雖然這個詞完全就像是我為了自娛自樂所創造出來的,但實際上卻是貨真價實的天文物理學名詞,用來描述黑洞造成的一種現象。所有關於黑洞的資訊,可能讓你和我一樣都覺得好奇,甚至想知道實際造訪黑洞會是什麼情況,或是靠得夠近好窺探事件視界之內的景象。好吧,親愛的讀者,我現在得警告你,那是你永遠不會想做的事,因為你會害怕被「義大利麵化」。


黑洞周圍的重力非常強大,所以如果你頭下腳上的掉落,那麼你頭部受到的重力將會比腳受到的重力還要大,使得身體拉長,就像是《超人特攻隊》中的彈力女超人(Elastigirl)。你看起來會更像是一條義大利麵而非人類,成為一串細長的原子鏈條,往黑洞中心延伸過去。我們銀河系中央黑洞周圍的G2氣體雲發生過類似現象。恆星也一樣,完美的球狀會被拉得細長。


這全都是因為黑洞周圍的重力強度具有梯度(編按:也就是引力強弱隨距離改變的程度)。距離夠遠時,那麼就和行星或是恆星的拉動力量(引力)沒有差異。但是如果太接近,重力的增強就是指數級的。就是這樣的梯度變化造成了義大利麵化。想像一下,你在非常傾斜的滑水道上,手拉著頂端平的地方,而腳在滑水道底部而且超出了邊緣。有趣的是,對於義大利麵化這件事,你必須小心在意的不是超大質量黑洞,而是那些質量較小的黑洞。


黑洞的質量越大,所具備的事件視界也越大,受到這個黑洞影響的空間也越大,但是除非非常靠近黑洞,重力梯度便不會很大,有的時候甚至要深入事件視界內才會變得很劇烈。但是比較小的黑洞,事件視界也比較小,事件視界外的重力梯度就會非常傾斜。比較小的黑洞周圍,重力不會比較強,但是當你接近的時候,重力變化的速度會非常快。拿山來比喻好了,有些山雖然不高,但是爬起來非常陡峭。


或者也可用滑雪來說明。接近質量較小的黑洞,像是在平坦地形上越野滑雪,一開始輕鬆,但突然間出現了專業等級的高難度斜坡「黑鑽道」,措手不及的你很可能就會受傷。不過你可以搭滑雪纜車離開危險區域(因為在這比喻中,你並沒有跨過事件視界)。但是,接近超大質量黑洞,可能是在平緩的初學者坡道上滑了很長一陣子,然後逐漸轉換到稍微傾斜的坡道,之後坡道越來越斜,最後成為可能會讓你受傷的陡峭專業坡道,但當你了解到這一點時,已經太晚了,這裡並沒有滑雪纜車能夠帶著你離開,你只能一路往下。銀河系的超大質量黑洞算是小的,因此當二○一四年G2氣體雲繞著這個黑洞運轉時,雖然有點拉長的現象,但是最終毫無損傷的逃脫了(用滑雪來比喻就是搭纜車離開了)。


如果你真的渴求感受義大利麵化的效應,理論上你可以靠近質量較小的黑洞,之後逃走,不過你身體形狀的改變將永遠無法復原。這就是你「掉進」黑洞時會感受到的,但你實際上會看到什麼呢?假設你能夠抵抗拉伸效應,譬如搭乘能夠對抗義大利麵化的太空船(原注:專利申請中),窗外的景象會是什麼樣的?嗯,多虧了廣義相對論,我們有方程式可以計算出可能會發生的事情,而且不需要太空人犧牲生命。


為什麼黑洞更像沙發坐墊


(部分試閱)


同樣地,輻射壓在黑洞周圍吸積盤中也有舉足輕重的地位。當物質落入圍繞黑洞的軌道時,會因為重力而加速,使得溫度升高得到了許多能量,開始發光。這些光會施加向外的壓力,阻止其他物質朝著自己所在的吸積盤掉落。在理想情況下,往吸積盤掉落的物質量和吸積盤中既有物質朝外發出的輻射壓之間會達到平衡。在這種狀況下,黑洞的成長速度會達到理論上的最大值,也就是黑洞的艾丁頓極限。如果有過多的物質掉落到吸積盤,會被輻射壓推走,成為風或外流。因此當黑洞要吞噬 的量比本身的容納量還要大的時候,有一種自然的控制過程會加以抑制:輻射壓會時不時讓吸積盤打個嗝、排出一些東西。


(中略)


如果有足夠的氣體朝著銀河系中央的黑洞落去,理論上這個黑洞成長的速度可以比現在快一千萬倍。但是這種事情並沒有發生,因為黑洞並非停不下的吸塵器。黑洞不會主動吸東西。必定有些物理過程將物質推向中心,直到它們足夠接近而被吸積盤捕獲,並被黑洞的重力帶入軌道。仔細想想,黑洞與其說像吸塵器,不如說更像沙發坐墊:就坐在你的客廳裡,毫不起眼,不會主動吸任何東西。但如果你碰巧將某樣東西移動到坐墊邊緣,讓它掉進縫隙裡,那麼它就永遠消失在那裡了。
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