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書友會邀請前會長丘宏義博士 介紹黑洞是什麼

華府書友會將於 6月15日星期六下午一點半, 假馬州雙溪圖書館, 邀請前會長丘宏義博士介紹黑洞是什麼。                 

雙溪圖書館地址: 202 Meadow Hall Drive, Rockville, MD 20851。電話: 240-777-0240。

黑洞是甚麼? 在宇宙中的地位是甚麼? 特性是甚麼? 在這演講中丘博士要以通俗口吻談到這些問題.

最近在報章上報導出第一張國際合作的合成射電或電波望遠鏡 synthetic aperture, 觀測到的黑洞 black hole 的相片. 按天文的觀測, 宇宙裡到處都有黑洞, 可是這個黑洞比較特別. 它在一個標號為 M-87 的星系的中心. 距離是5千3 百萬光年之外, 就是說, 我們看到的這個星系發出的光是5千3 百萬年前發射出的, 到現在才到達我們. 這星系是一位法國天文學家梅西爾 Charles Messier 第一次觀測到的, 他把觀測到的天文星雲編成一個目錄, 現在稱為梅西爾星體表. 這星系編號為87. 特色是有一柱以近乎光速射出的噴射氣體流 relativistic jet. 觀測的方法是用人工合成的電波或射電望遠鏡, 即把全球的射電望遠鏡都以電腦聯結在一起, 成為如地球這麼大口徑的望遠鏡. 用了這麼大口徑的電波望遠鏡, 才能分析出這黑洞的影像. 連中國和台灣都有重要的貢獻. 為甚麼要去觀測這樣遠的星系中的黑洞? 因為這還是離我們最近的星系級的, 黑洞特性非常顯著的星系.

於1915年愛因斯坦發表了廣義相對論, 次年(1916)一位德國天文物理數學家史瓦西 Karl Schwarzschild 發表一個愛因斯坦方程的解. 這解很奇怪. 在一個質量的某一半徑之內, 光都走不出來. 如果這質量是太陽的質量, 這半徑約為3 公里. 因此, 重力把這質量的空間分成兩部份, 在這半徑之外的空間就是我們所知的空間. 這半徑之內的空間, 和外面的空間似乎不相往來. 無以名之, 把它稱為史瓦西奇點 singularity. 所謂的數學奇點, 就是類似 1/x 這樣的函數, 當 x 趨於零時, 1/x 會變成無窮大. 而最令人驚奇的是, 如果把一個質點朝這半徑的空間送去, 從外面的空間去看, 它似乎愈走愈慢, 永遠走不進去. 可是如果在這質點上裝一個鐘, 對這質量說來, 在有限時間內, 一下就走進去了. 因此, 這個奇點有無限的特性, 又有有限的特性.

物理學家最恨的就是這一類會變成無窮大的東西, 因為我們還沒有發現可以變成無窮大的東西. 可是這理論就預測有這麼一個有無窮大的東西. 一開始, 愛因斯坦就說, 這是物理方程出來的不合理的解. 有人還用這一點來攻擊愛因斯坦的廣義相對論. 可是愛因斯坦把三個天文中的疑難問題都解決了, 因此他的理論不容懷疑. 順便一提, 現在大家日用的全球定位系統 GPS, 都要引用到愛因斯坦的重力理論. 全球定位系統用的時間精確度要十四位小數, 而在第十位小數之後, 就要引用到愛因斯坦的重力理論了.

自1960 年以來, 探險外太空的人衛計劃的發現,層出不窮. 在一個天體的X-光源中, 發現這X-光源是一團氣體, 而在這團氣體中有一個體積很小的星體, 可是它的質量遠超過理論上星球可以有的質量. 於是天文物理學家推測, 這小星體就是史瓦西”奇點”. 這時, 物理學家開始瞭解史瓦西”奇點”, 認為是一個真正的星體, 可是和普通的星體不同. 它的重力極強, 能把附近的物質吸去, 可是因為角動量的問題, 它吸去的物質只能繞著這星體轉, 等到把角動量消弭後, 才能逐漸朝這星體轉進去. 這些旋轉的物質逐漸把它們的動能變成各種波長不一的光, 從X-光到電波都有. 這些旋轉的物質呈碟狀, 稱為吸積盤 accretion disk. 天文物理學家把這放不出光的星體稱為黑洞 black hole. 本次講員是最先把黑洞名詞介紹到天文界的人. 至於黑洞的名詞的來源, 有一段悲慘的歷史, 在本次演講中要闡述出來.

上面提到噴射氣體流. 既然角動量的問題禁止吸積盤的氣體很快的朝這黑洞走進去, 那麼這些以近乎光速噴出的氣流從那裡來的? 在旋轉的物體中, 唯一不受到角動量問題的方向是旋轉軸. 因此, 這些噴射流都是沿著旋轉軸射出的. 這樣的噴射流非常普遍.那麼宇宙中有多少的黑洞呢? 幾乎所有的星系的中心都有一個大黑洞. 以銀河系為例, 從一些星的軌道, 已經斷定銀河系中心的黑洞的質量約為二百五十萬個太陽的質量. 而這還是很小的星系中心的黑洞, 有些星系中心的黑洞的質量可以比銀河系的大上數千倍, 甚至於上萬倍.

講員丘宏義博士是世界著名的天文物理學家. 在台灣大學物理系唸三年後, 轉到奧克拉荷馬州立大學得物理學士學位, 後轉入康乃爾大學物理研究院康乃爾大學得物理博士, 在普林斯頓高等研究院進修兩年, 開始天文物理研究. 在太空署 NASA 戈特宇航中心 (Goddard Space Flight Center) 任高級天文物理及太空物理學家35年. 一生研究中子星及宇宙學. 著有一百六十遍論文及專科書籍. 得太空署最高科學貢獻獎. 按一位科學史專家的研究, 把黑洞這名詞介紹到天文界的就是丘宏義博士.

 
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