专家系列:探索最暗黑之谜
28-07-2021

六十年前,人类首度踏足太空,震撼世界;多年来,数以百计的太空探索任务不断出现,人类得以对宇宙加深认识和瞭解。在科学家希望解开的芸芸太空疑团中,黑洞为最扑朔迷离、引人入胜的天文现象,我们对它的认识十分有限。

经过数十年努力,科学家终于在2019年首次摄得黑洞真貌,本年初再下一城,得到一张影像更细緻的照片,为黑洞研究写下重要里程碑。这些划时代的影像证明了在距离地球约5,400万光年的M87星系中心,存在一个相等于65亿个太阳的超大质量黑洞。

王一教授
王一教授也在研究虫洞,理论上虫洞能连接宇宙的星系,希望能证实虫洞是否符合自然法则。

爱因斯坦理论又赢了
数年前,天文学家对黑洞的看法跟现在截然不同。科大物理学系副教授王一指出:「假如你问当时的天文学家,是否可能存在质量相等于太阳100倍的黑洞,他们会告诉你这并不存在。可是,我们现正切切实实地发现了它!」

成功拍摄这神秘天体的影像,为物理学带来新的启示,有助我们从多方面加深瞭解黑洞。王教授说:「多年来,一直有不同理论描述黑洞视界附近的强引力,但这张照片证明了爱因斯坦的广义相对论再次获胜。照片显示的情况,跟他一百年前的预测分毫不差!」黑洞阴影的形状,更加印证了爱因斯坦的理论。

照片中的影像亦有助瞭解黑洞结构的形成和行为,如吸引物质落入黑洞的吸积盘,以及垂直于物质盘的等离子射流 。王教授说:「照片加深了我们对喷流物理学的认识。」

「另一只眼睛」看宇宙
除了黑洞,科学家也在研究爱因斯坦所预测的引力波,即两个天体(如行星或恆星)相互环绕运行而形成的时空涟漪。人类在2015年首次观察到因两个黑洞合併而出现的同类事件。王教授解释:「这是观察宇宙的一个崭新和独立途径。从前,我们只研究电磁波(即光),现在却开启了引力波天文学的新纪元。

「就像从前我们只用一只眼睛看宇宙,有了引力波,另一只眼睛也张开了!」

长久以来,科学家总觉得捕捉黑洞影像是遥不可及的事情,因为需要解像度极高的镜头才能做到。情况就像站在月球上的太空人,可以看见你在地球吃饭时碟上的餸菜。

王教授说:「观测远方的事物,你需要使用解像度高的望远镜。望远镜的镜头或光圈越大,採光能力越强,解像度也越高。以拍摄黑洞来说,我们需要像地球一样大的镜头。」

那么,究竟「不可能的任务」是如何达成的?这得归功于一项研究多年、能连结地球上不同望远镜的技术,使它们能有效地形成一口径等同地球大小的虚拟望远镜。

你或许会问,研究一些与地球距离如此遥远的东西,重要之处在哪?王教授说,照片中的影像有助科学家获得远超黑洞的知识,触类旁通,如瞭解星系怎样形成,超新星爆炸,以至解答「我们从哪里来」这个根本问题。

基础物理学的价值
王教授续说,认识这些天体是驱动科技发展的强大力量。要探索科学未为人知的一面 —无论大如宇宙,抑或小如基本粒子,都需要倚仗尖端科技。因此,探索基础科学可以推动科技发展。

王教授是高能物理学理论及宇宙学专家,2007至今,已发表超过90篇以基础物理学为重点的论文。最近,他埋首研究黑洞脉冲星系统,瞭解这种系统有助我们探索物质的极端状态﹔另外,他也在研究早期宇宙,思考大爆炸后发生了甚么事情?宇宙的命运又会怎样?

放眼未来,才可凸显基础科学的价值。王教授说:「我们约100年前已发现量子力学,那时候可没人懂得这门科学的用处,但到了今时今日,半导体理论已成为计算机技术的基石,其实就是量子力学当中有关凝聚态能量带的研究结果。」

「我们可能要等 100 年或更长时间才看到研究的影响力!但在等上100年之前,我们可以先理解事物运作的根本原理,即使我们还不清楚如何应用,这点十分重要。」

好奇心是进步的原动力
不少学生修读过王教授的现代物理学课程,都受到老师的好奇心所触动。 

他说:「我衷心希望所有学生都对科学充满好奇,而不是只关心考试和功课。我的心愿就是学生主动求知,乐意在每晚睡前思考事物运作的方式!」