專家系列:探索最暗黑之謎
2021-07-28

六十年前,人類首度踏足太空,震撼世界;多年來,數以百計的太空探索任務不斷出現,人類得以對宇宙加深認識和瞭解。在科學家希望解開的芸芸太空疑團中,黑洞為最撲朔迷離、引人入勝的天文現象,我們對它的認識十分有限。

經過數十年努力,科學家終於在2019年首次攝得黑洞真貌,本年初再下一城,得到一張影像更細緻的照片,為黑洞研究寫下重要里程碑。這些劃時代的影像證明了在距離地球約5,400萬光年的M87星系中心,存在一個相等於65億個太陽的超大質量黑洞。

王一教授
王一教授也在研究蟲洞,理論上蟲洞能連接宇宙的星系,他希望能證實蟲洞是否符合自然法則。

愛因斯坦理論又贏了
數年前,天文學家對黑洞的看法跟現在截然不同。科大物理學系副教授王一指出:「假如你問當時的天文學家,是否可能存在質量相等於太陽100倍的黑洞,他們會告訴你這並不存在。可是,我們現正切切實實的發現了它!」

成功拍攝這神秘天體的影像,為物理學帶來新的啟示,有助我們從多方面加深瞭解黑洞。王教授說:「多年來,一直有不同理論描述黑洞視界附近的強引力,但這張照片證明了愛因斯坦的廣義相對論再次獲勝。照片顯示的情況,跟他一百年前的預測分毫不差!」黑洞陰影的形狀,更加印證了愛因斯坦的理論。

照片中的影像亦有助瞭解黑洞結構的形成和行為,如吸引物質落入黑洞的吸積盤,以及垂直於物質盤的等離子射流 。王教授說:「照片加深了我們對噴流物理學的認識。」

「另一隻眼睛」看宇宙
除了黑洞,科學家也在研究愛因斯坦所預測的引力波,即兩個天體(如行星或恆星)相互環繞運行而形成的時空漣漪。人類在2015年首次觀察到因兩個黑洞合併而出現的同類事件。王教授解釋:「這是觀察宇宙的一個嶄新和獨立途徑。從前,我們只研究電磁波(即光),現在卻開啟了引力波天文學的新紀元。

「就像從前我們只用一隻眼睛看宇宙,有了引力波,另一隻眼睛也張開了!」

長久以來,科學家總覺得捕捉黑洞影像是遙不可及的事情,因為需要解像度極高的鏡頭才能做到。情況就像站在月球上的太空人,可以看見你在地球吃飯時碟上的餸菜。

王教授說:「觀測遠方的事物,你需要使用解像度高的望遠鏡。望遠鏡的鏡頭或光圈越大,採光能力越強,解像度也越高。以拍攝黑洞來說,我們需要像地球一樣大的鏡頭。」

那麼,究竟「不可能的任務」是如何達成的?這得歸功於一項研究多年、能連結地球上不同望遠鏡的技術,使它們能有效地形成一口徑等同地球大小的虛擬望遠鏡。

你或許會問,研究一些與地球距離如此遙遠的東西,重要之處在哪?王教授說,照片中的影像有助科學家獲得遠超黑洞的知識,觸類旁通,如瞭解星系怎樣形成,超新星爆炸,以至解答「我們從哪裏來」這個根本問題。

基礎物理學的價值
王教授續說,認識這些天體是驅動科技發展的強大力量。要探索科學未為人知的一面 —無論大如宇宙,抑或小如基本粒子,都需要倚仗尖端科技。因此,探索基礎科學可以推動科技發展。

王教授是高能物理學理論及宇宙學專家,2007至今,已發表超過90篇以基礎物理學為重點的論文。最近,他埋首研究黑洞脈衝星系統,瞭解這種系統有助我們探索物質的極端狀態﹔另外,他也在研究早期宇宙,思考大爆炸後發生了甚麼事情?宇宙的命運又會怎樣?

放眼未來,才可凸顯基礎科學的價值。王教授說:「我們約100年前已發現量子力學,那時候可沒人懂得這門科學的用處,但到了今時今日,半導體理論已成為計算機技術的基石,其實就是量子力學當中有關凝聚態能量帶的研究結果。」

「我們可能要等 100 年或更長時間才看到研究的影響力!但在等上100年之前,我們可以先理解事物運作的根本原理,即使我們還不清楚如何應用,這點十分重要。」

好奇心是進步的原動力
不少學生修讀過王教授的現代物理學課程,都受到老師的好奇心所觸動。 

他說:「我衷心希望所有學生都對科學充滿好奇,而不是只關心考試和功課。我的心願就是學生主動求知,樂意在每晚睡前思考事物運作的方式!」