不要太靠近黑洞
交大物理所 高文芳
wfgore@cc.nctu.edu.tw
摘要
一、我們的宇宙
由近而遠，我們看到的是地球—月球的主客系統。再來是太陽與九大行星構成的太陽系，再遠則是由約
10^11 個恆星系組成的銀河星系（Milky way），更遠則是宇宙間稍嫌凌亂地散佈著約10^11個類似我們銀河系
的星系（Galaxy）。
人類經由夜觀天象，產生綺想。由其恆易之象，對人世種種，小至邏輯演繹，大至農文水利、人際關係，
產生神祉般的律令曆法。以此為基，進而演化成今天萬千學子汲汲而不及的種種學科，更在台灣化成令人
頭痛的聯考制度，製造無數 人世悲劇。
然而，人類雖有號稱數百萬年的演化史，或近三千年的文字史，近千年的科學史，近四百年的台灣史。
哦，搞錯了！近四百年的物理史，很令人吃驚的是， 一直到1920年以後，人類才知道，宇宙並不是半徑
10^6 光年，厚約6000光年， 一如荷包蛋蛋的銀河系。1920~25年間 Hubble
在 Mt. Wilson的觀測，不但發 現銀河系外有很多與我們相似的星系，而且宇宙目前是在向外擴張之中。
1964年，Penzias 及 Wilson 意外地發現3度K的背景輻射，再加上60年代對粒子物理的革命性突破，使得宇宙演化史，成為物理界閃
耀的新星，不再是 怕人知道，躲在棉被窩裡偷學的異端邪說。
表Ⅰ：人類觀象史
| 1609 | Galilieo | 發明天文望遠鏡（實驗物理啟蒙) |
| 1920~25 | Hubble | 發現銀河系外星系 |
| 1964 | Penzias 及 Wilson | 發現3摘背景輻射 |
| 1990 | Hubble Space Telescope | 啟航（天文近視鏡） |
| 1994 | NASA | 替 Hubble Space Telescope戴眼鏡 |
| 1996 | 一群小朋友 | 在電子黑洞營ZZZ..... |
表Ⅱ：地球到其他標的之距離（光年）
| 月亮 | 4×10^-8 |
| 太陽 | 1.5×10^-5 （~8分鐘） |
| Pluto | 6×10^-4 |
| α—Centauri | 4 |
| 銀河系中心 | 30000 |
| 星系大小 | ~ 10^6; 厚約6000 |
| 最近之星系 | 2×10^6 |
| 可見之最遠星系 | 3×10^9 |
| 宇宙邊緣 | 200~250億 |
有了新興武器，我們便可以回答一部份諸如宇宙是如何形成演化的？星星是如何形成的？…等等的每日一
問。有的可以輕鬆地加以回答，有的則恐怕只好去 問 Star Trek 裡的不速之客
Mr. Q。
二、宇宙的演化與星星的一世人
以太陽為例，啟始時，一團 H氣受重力吸引，全往質量中心內縮，使核心溫度急遽升高，一旦溫度高達
1千萬* K時，便足於催化核融合（fusion）反 應，使四個 H 結合成He核，並放出大量的可見光，迫使
恆星大放異彩。 而且，釋出的能量可以平衡重力，使得系統穩定存在，遂在美麗底夜空裡，增加
一份生命的喜悅。
A star is born !
表Ⅲ：宇宙演化簡史
| 時間（秒） | 溫度（K） | 事件 |
| 0 | ∞（？） | BANG! |
| 10^-43 | 10^30 | Inflation |
| 10^-25 | 10^22 | 宇宙承平 |
| 100 | 10^10 | 造物紀 |
| 10^6年 | 3000 | 星星人類 |
| 今天 | 3 | 核電亡國論、新興人類 |
一般而言，星球總質量越大，生命期越短，而我們的太陽ㄅㄟㄅㄟ從誕生到H氣燃盡的整個生命週期約為
100億年。目前太陽ㄅㄟㄅㄟ的年歲已近50億年，正值一個人的壯年期。（別搞錯哦，年已半百，並非進
入老年期，以人為例， 年壽平均70左右，其半為35，而35正是一個人的壯年期！）
上天堂、下地獄：星星人類的六道輪迴
當一顆恆星的H氣燃燒殆盡，核融合所提供的張力不足以抵銷重力場致命的吸引力，蜜月期宣告結束！於
是星球繼續其內陷的不歸路。由於溫度急遽上昇，外圍H氣在激烈的燃燒下，迅速的向外擴張，甚而吞噬
地球軌道。由於擴張使表面溫度下降呈紅巨星狀，是為紅巨星。其內部He核則因重力內陷、溫度上昇，而
可以進行更重原子的核融合反 應，當內部 C 核形成的同時，星球（太陽）外殼成分會被甩出去形成類似
ring nebula的氣體殼層。我們的太陽ㄅㄟㄅㄟ到了這個田地，便會褪去光環，洗盡鉛華，在宇宙的角落，以白矮
星之名，自盼自憐，逐漸為世人所淡忘，最後形成 黯淡的黑矮星。（Sirius
之雙星系伴星即為一白矮星）
內縮停止的原因是電子的簡併力。但是如果星球的質量更大，便可以把核融 合的反應，進行到最穩定的
Fe，Co，Ni元素。如果星球核心質量小於太陽的1.5倍，電子簡併力便足於叫停核反應，使星球步上白矮
星的後塵。反之重力會 壓垮電子的叫陣，使核心繼續其萬劫不復的旅途。此時由於溫度持續上昇（像
inferno），核心元素便會逐步分裂還原成中子核。因為過程非常暴力，約佔星球質量7/8的外圍氣塵會在
大爆炸的推擠下，迅速向外擴散。由於其直徑約10光年，且在晦暗的星空形成一團明亮的光團，古人不
明其因，稱之為 Super nova （超新星。Nova 在拉丁文為"新"之意）。中國在宋仁宗時稱之為客星（不速之
客）。實則為一顆巨大的星球，向世人昭告他的死訊，美麗的光環也正是閻王爺
設下的鴻門宴。
浴火鳳凰與 Pulsar（中子星）
然而，宇宙生命的千變萬化，就像六道輪迴，令人目不暇給。就當客星廣發訃聞之時，殘存的氣塵在重
力主導下，浴火重生，重複一個星球的生命旅途。我 們的太陽系就是一個活生生的
n-代星。（Why？）
另一方面，核心的中子核形成中子星，帶著保留的角動量，以固定而快速的週期快速自轉，並在南北兩
極投射強力的電波。1967年劍橋大學 Anthony Hewish（1974 Nobel Prize Winner）指導的研究生
Jocelyn
Bell（Burnell）小姐（太太），意外的發現週期1/30秒的CrabPulsar（蔡氏星雲）在向他招手，起初被誤以
為是外星人的電視節目而被命名為 LGM（little green man）
（Gosh!如果外星人收看到我們充滿色情暴力的電視節目，不知道會…想。）
如果中子星質量小於3個太陽，則中子的簡併力（Pauli Exclusion Force） 便足以制控重力的壓擠，使中子星穩定地存在。反之，重力會主控一切，中子核心便會跨過「地平線」，
永劫不復，形成黑洞。
表Ⅳ：太陽若形成。。。其半徑將為
| 白矮星 | 地球大小 |
| 中子星 | 約六公里 |
| 黑 洞 | 約三公里 |
另一方面，整個宇宙就像一整顆星球，正處於超新星向外擴張期。雖然我們並不確知宇宙整體是否會持續
的擴張，或可能在某個時間開始回縮，甚或整個宇宙早已無始無終的來回無數回合。然而證據顯示宇宙總
質量早已超過黑洞極限， 使得整個宇宙（半徑約250億光年）都深陷宇宙大黑洞的地平線下。黑洞的世界，
也可能五光十色，充斥著光怪陸離、新奇古異的新新X類。
三、時空之旅與量子世界
時空旅行，一直是科幻片的主流，在重力方程式裡，如果有怪異物質存在，便可能進行時空之旅。然而在
時光隧道穿梭，卻會引發因果背反的大災難。1993 年 Brandeis 的 S. Deser
及 MIT 的 R.Jackiw 便寫了一篇總論時光機器的文章，指出現下物理條件，似乎仍然不允許人類從事時空之旅，甚而改寫歷史。
要知道回到過去，試圖改變歷史，不只會發生你在你老爸認識你老媽之前槍殺你老爸，然後產生到底會不
會有你的矛盾。事實上，人類整個價值、結構、體系，都是建構在古典因果律之下。時光旅行，不只是因
果律的大災難，更是人類 社會的大災難。
多世界之說與 Feynman 說
Bohr 一派的量子力學觀，打破古典因果律，引起 Einstein 強烈反對，兩 造世紀之辯，在 Einstein 死後，仍然議論紛紛 。
Feynman 就評論過："我想持 平說來，沒有人真正瞭解量子理論"。
這鍋因果之辯不是我們今天的課題，然而1957年，Everett提出了多世界(many
world）的看法，卻可能
有效解決時光旅行造成的困惑。（真的嗎？！）Many world指的是。每當咱們做一次測量，世界就依
可能發生的狀態分裂 成不同的劇情，由量子理論決定進入某一劇情的機率，而每個劇情都等價地存
在。
這個玩意，以前說給外行人聽，多半搞得看官大眾一頭霧水。但時序進入90年代，商場上已有標準樣品
：CDI限量發行；電影院裡的觀眾，人手一只選擇器，當藍波面對按阮死嘛性格，一場生死格鬥即將
上演。銀幕上出現一條單選 題：
然後觀眾朋友，立時搶答，電腦立刻統計結果，馬上依最高票劇情接演。導演和演員便得依所有可能
，拍製各種劇情，再依觀眾所求上演。因此同一部片子，春嬌和志明不同場次看到的結果可能相去十
萬八千里。而多世界的劇情，只不過存在電腦層層相接的硬碟裡，等待下一場，另一批觀眾，共同的
意志。
根據類似的看法，如果時間機器存在，那你回到過去槍殺生父，就有可能，只不過你並沒有回到自己的
過去，只不過是跳到另一場次的影片，槍殺的那位「老爹」也不是你的「生父」，他不過是另一種劇情
裡的一個角色而已。
Star Trek 裡曾有一段，描述他們電腦遊戲裡的虛擬人物，試圖逃出電腦程式。最後發現原來整個
大逃亡仍然是在遊戲間裏進行。船長 Jean Luc Picard 最後感慨說：誰知道我們「真實」
的世界，
會不會只是別人電腦裡的一段劇情呢？
我們觀察到的世界，是如此曼妙多姿，賞心悅目。當你們用功的去瞭解他，竟然發現這個五顏六色、七
情六慾的大千世界竟然可以用幾條簡單的方程式來描繪，而其精確度竟然高達小數點以下11到12位。個
人覺得，最值得探討的,倒不是 如何用簡單的數學去描述這個複雜的世界，反而是：世界真的這麼完美嗎？
可能 嗎？還是上帝有不可告人的天機！
主舵手 Fineman 座右銘："不要靠黑洞太近，因為持平來說，沒有人真正瞭解黑洞理論"。
註:蔡氏星雲並非其發現的第一顆星雲，含糊的目的只為戲劇張力。
