導讀／一冊讀見理論、觀測與詮釋 完整理解黑洞與現代天文物理的脈絡◎陳明堂教授（中研院天文所研究員、中研院黑洞團隊發起人之一） 這是一部知識密度相當高、內容也相當緻密的科普作品。全書十餘個章節，幾乎涵括了近代天文物理學的重要發展，讀來有如一部精簡版的天文物理通論。 書中介紹了許多著名與較少為人所熟知的科學家，並將他們的研究工作放入理論發展與實驗進展的脈絡之中，整體閱讀經驗帶有濃厚的科學史氣息。 這是一本以黑洞為主題的科普書，而令我印象深刻的，是它的副標題：「為什麼你對黑洞的認知幾乎都是錯的。」（原副書名why nearly everything you know about them is wrong）這樣的表述帶有吸引目光的挑戰意味。我理解作者想指出的是：近代物理學的許多結論，往往與我們的日常直覺並不相符。我們的生活經驗多半建立在牛頓力學所描述的世界中，而相對論與量子力學所揭示的時空結構，則超出了日常感知的範圍。 同時，這樣的提問也提醒我們，科學對黑洞乃至於宇宙的理解，本身就是一個持續修正與深化的過程。理論、觀測與詮釋之間的關係，始終保持著開放性，這或許正是科學探索最迷人的地方。 在閱讀過程中，我也注意到書中少數細節若能再加釐清，將更有助於避免可能的誤解。例如，在談到數位感光技術與醫學影像時，部分因果敘述略為簡化。這些並不影響全書主旨，但對熟悉相關領域的讀者而言，或許會希望看到稍更精確的描述。這樣的細節提醒，其實也凸顯了科普寫作的一項挑戰：在兼顧敘事流暢的同時，又要讓科學史與技術史的脈絡盡量保持清晰。 整體而言，這是一本企圖心明確、內容扎實的科普著作，適合希望對黑洞與現代天文物理建立較完整理解的讀者。 【導讀者簡介】陳明堂教授是中央研究院天文及天文物理研究所研究員，兼天文所夏威夷運轉副所長。成功大學物理系畢業，伊利諾大學香檳校區物理博士，從1995年在中研院天文所任職至今。 二○一○年，中研院黑洞團隊開啟格陵蘭望遠鏡計畫，正式加入以拍攝黑洞為目標的事件視界望遠鏡（EHT）國際團隊。二○一九年，事件視界望遠鏡成功獲取史上首張黑洞影像。負責格陵蘭望遠鏡計畫，建造出北極唯一的天文觀測站，讓全球連線的黑洞影像觀測看得更遠、更清晰。歷經臺灣主要天文望遠鏡的建造計劃，是開創臺灣天文科學參與國際前沿望遠鏡的研究發展、設計與建造的先驅。 推薦序／一部有趣易讀的黑洞（與宇宙）的身世歷史 ◎徐欣瑩博士（臺灣第一位衛星測量女博士、理工專業立法委員） 從小就喜歡觀看宇宙星空，並為之深深著迷，促使我投入太空科學領域，我的專業是用精密儀器與嚴謹分析把訊號變成科學證據；身為務實派的理工人，讀到《你知道的黑洞知識 90%是錯的：天文學家寫給所有人的黑洞身世史》時，最被打動的不是「答案」，而是它把我們帶回時代真正前進的科學方式：承認未知、累積證據、修正理解，然後再往前進。 作者以黑洞為軸，串起愛因斯坦到霍金等一代代研究者的接力，讓我們看見知識如何「站在巨人的肩膀上」（序章）被推動。她也提醒我們：追問宇宙，往往同時推動觀測技術與分析方法的革新，並把這些成果帶回人類生活之中。 而當讀到「黑洞」命名典出的真實歷史故事（p.74）、「黑洞」並不黑、甚至是宇宙中最明亮的天體時（p.133），會重新意識到：直覺或傳說並不可靠，可靠的是不斷被檢驗、被解釋、被更新的理解。 作者反覆提醒讀者：回望太空研究的歷史，我們之所以一步步逼近宇宙真相，憑藉的從來不是單一靈光，而是理論框架、儀器革新與觀測證據彼此牽引、共同推進。作者也不迴避尖端研究的「尚待釐清」：模擬支持黑洞回饋調控星系演化，但大尺度觀測仍難找到一致證據。這種把確證、限制與未解並置的寫法，更貼近科學知識在證據權重與不確定性中逐步成形的真實過程。 這本書適合想把黑洞與現代天文物理的脈絡一次讀懂的人；更適合願意在好奇心裡，和科學一起變得更謙遜、更清醒的人。 【推薦者簡介】徐欣瑩博士是長期關注基礎科學教育的理工專業立法委員，並透過舉辦各式科普營隊，以激發青少年對宇宙奧祕的探索欲。成功大學測量工程學系畢業，國立交通大學（現陽明交通大學）土木工程學系博士，是臺灣第一位在衛星測量領域的女性博士。 碩士期間獲得 NASA（美國國家航空暨太空總署）資深科學家賞識，提供全額獎學金邀請攻讀博士（但由於母親罹癌病重毅然放棄）。於內政部地政司衛星測量中心擔任研究員期間，承辦國家衛星定位測量計畫，協助建立全國重力資料庫，開發座標轉換程式供全國使用。2005年更曾獲丹麥太空中心邀請，出資資助其進行科學研究，因已參政而放棄。 長期關注臺灣衛星計畫與推動太空科技產業化，是將學術專業轉化為國家科技政策的橋樑。 序章／站在巨人的肩膀上 就在此刻，當你坐下來悠閒地閱讀這本書的時候，你正以不可思議的超高速度移動著。地球正在自轉，帶著我們穿過無情的時間之流，從這一天進入下一天。與此同時，地球圍繞著太陽公轉，帶著我們歷經四季更迭。 但這還不是全部。太陽只是銀河系（Milky Way）中的一顆恆星，我們所處的這個星系中有上千億顆恆星。太陽並不獨特，也沒有位於銀河系的中心。事實上，就恆星而言，太陽相當平凡且普通。太陽系位於銀河系中一條次要（看出規律了嗎？）*的旋臂中，稱為「獵戶臂」（Orion Arm）；而銀河系本身也只是個相當常見的螺旋星系，不太大，也不太小。 因此，這意味著，除了地球自轉的速度和地球繞太陽公轉的速度之外，我們也正以每小時45萬英里（編按：約72.4萬公里）的速度繞著銀河系中心運行。那個中心有什麼呢？一個超大質量黑洞（supermassive black hole）。 沒錯，此時此刻，你正在繞行一個黑洞。這是太空中一個擠壓了大量物質的地方，密度大到就連光──宇宙中速度最快的存在──一旦太過靠近黑洞，也沒有足夠的能量逃脫黑洞的重力。數十年來，對於物理學家來說，「黑洞」這個概念既著迷，又令人困擾。在數學上，我們把黑洞描述成一個密度無限大、體積無限小的點，由一球不明所以的區域所包圍，從那裡我們得不到任何光線和資訊。沒有資訊代表沒有資料，沒有資料代表沒有辦法做實驗，沒有辦法做實驗就意味著我們無法知道黑洞「內部」究竟有什麼。 身為科學家，總是想要看更宏觀的全貌。當我們從如同自家後院的太陽系，拉大到觀察整個銀河系，再進一步擴展到宇宙中數十億個其他星系時，會發現到黑洞總是主控著重力。銀河系中央的黑洞目前主控著你在太空中的運動，這個黑洞的質量是太陽的四百萬倍，因此叫做「超大質量黑洞」。雖然這聽起來很大，但我見過更大的。還是那句話，銀河系中央的黑洞質量相對來說相當普通：既不是特別巨大，也不是特別富有能量，活躍程度也不高，這使得它幾乎難以被發現。 我能夠把這些陳述當成既定事實，並且每天都視之為理所當然，這實在很不可思議。直到二十世紀末，我們才終於了解到每個星系的中心都有一個超大質量黑洞。這提醒著我們，儘管天文學是最古老的研究領域之一，而且全世界的古文明都研究天文學，但天文物理學（astrophysics，又稱天體物理學，本書混用之）──也就是實際解釋天文學家所見現象背後的物理原理──仍是一門相對新興的科學。二十世紀和二十一世紀的科技進展，才讓我們稍微搔到宇宙奧祕的表層而已。 最近我在一家規模超大、書種超多的二手書店中開心閒逛時，找到了一本在一九○一年出版的《現代天文學》（Modern Astronomy），作者赫伯特．霍爾．特納（Herbert Hall Turner）在〈引言〉中說道： 「在一八七五年之前（正確的年份不必太過精確），人們普遍認為天文學的研究方法已趨完善。然而，自那之後，幾乎所有的方法都經歷了重大的變革。」 赫伯特指的是攝影感光板（photographic plate）。當時的科學家不再把經由望遠鏡觀察到的內容以手繪的方式記錄下來，而是利用塗布感光化學物質的巨大金屬板精確地記錄下來。此外，望遠鏡也變得越來越大，這意味著能夠收集到更多的光線，進而看到更黯淡與微小的天體。在我手中這個版本的第45頁有一張精彩的圖表，顯示天文望遠鏡的口徑在一八三○年代時僅僅只有10英吋，到了十九世紀末暴增到40英吋。我在寫這本書的時候，正在興建中的最大望遠鏡是位於夏威夷的「三十公尺望遠鏡」（Thirty Metre Telescope, TMT）。你猜猜看口徑是多少？就是30公尺，約等於1,181英吋。從一八九○年代至今，我們已經進步許多。 我喜歡特納這本書（以及我得買下來的原因），是因為它能夠提醒我們科學進展帶來的觀點轉變有多快。對於我和其他正在從事天文學研究的同事來說，書中沒有任何內容稱得上「現代」，而且我可以想像在120年後，未來的天文學家讀我寫的這本書時，可能也有同樣的想法。舉例來說，在一九○一年，當時的人們認為整個宇宙只延伸到銀河系最邊緣的星星，大約只有十萬光年遠。當時並不知道，在持續膨脹的浩瀚宇宙中，還有其他由數千億個恆星組成的星系。 在《現代天文學》的第228頁，有一張攝影感光板拍攝的圖，標注為仙女座星雲（Andromeda nebula），立即可以辨認出那就是仙女座星系（Andromeda galaxy），或許對於許多人而言，那是更為熟悉的蘋果電腦桌面圖。仙女座星系是距離銀河系最近的星系鄰居之一，含有超過一兆顆恆星。那張圖看起來和現代業餘天文學家在自家後院拍攝到的照片幾乎一模一樣。即使到了十九世紀末，攝影感光板的技術已經有長足的進步，能夠首度拍攝下仙女座星雲的影像，人們也沒有馬上就了解那個天體的真實本質。當時人們依然稱仙女座為「星雲」──一種朦朧、帶著塵埃、看起來完全不像恆星的天體，被認為位於銀河系之中，和地球間的距離就如大多數恆星那般遙遠。直到一九二○年代，我們才知道這個天體其實是星系，而且距離銀河系有數百萬光年之遠。這項發現完全改變了人類對於自己所在位置以及宇宙尺度的看法。一夜之間，隨著首度了解到宇宙真正的大小，人類的世界觀改變了。在這個比以前所想還要更為遼闊的海洋中，我們只是更為微小的水滴。 我們在這最近百年，才知道宇宙的真實尺度。在我看來，這正是最能體現天體物理學是非常年輕的科學領域的最佳例證。在二十世紀中，天體物理學的進展是特納在一九○一年時所遠遠料想不及的。在一九○一年，幾乎沒有人想到過黑洞這個概念。到了一九二○年代，黑洞只是理論中的異類，並且讓愛因斯坦等物理學家非常沮喪，因為黑洞讓所有的方程式失效，違反了自然常理（unnature）。到了一九六○年代，人們接受了黑洞這個概念，至少接受了黑洞的理論。這一部分要歸功於英國物理學家史帝芬．霍金（Stephen Hawking）、羅傑．彭若斯爵士（Sir Roger Penrose），以及紐西蘭的數學家羅伊．克爾（Roy Kerr），他們計算出了愛因斯坦廣義相對論方程式對於旋轉黑洞的解，這使得在一九七○年代初期有人首度嘗試指出銀河系中央可能有一個黑洞。讓我簡單說明一下當時的背景。人類在能夠理解我們的一生都會無止盡地繞著黑洞運轉之前，就已經成功將人送上了月球。 直到二○○二年的觀察結果才確定了，位於銀河系中心的天體只能是超大質量黑洞。對於我這個研究黑洞還不到十年的人來說，得常常提醒自己這個事實。我認為每個人都有一種傾向：忘記以前不知道的事情，就算是最近才知道得也很容易忘記，像是智慧型手機普及之前的日常生活，或是直到二十一世紀才能夠定序完整的人類基因組。了解科學的歷史讓我們更能欣賞現在所重視的知識。回顧科學史就像是追蹤數千位研究人員共同的思想軌跡，讓我們更了解那些早就習以為常的理論當初是怎樣建構出來的。概念的演化過程有助於我們了解為何有些概念受到摒棄，有些概念受到擁護。 當有人質疑暗物質的存在時，我心中便常浮現這樣的念頭。暗物質能夠產生重力作用，因此我們知道暗物質存在，但是暗物質不會和光產生交互作用。暗物質占了宇宙質量的85%，我們居然看不見，人們質疑這有可能嗎？應該是有些東西我們還沒有考量到吧！我絕對不會傲慢到宣稱說我們已經考量到所有事情，因為宇宙一直都讓我們保持警醒，不要自大。但是人們忘記了，暗物質這個概念並不是在哪一天就以完整概念的形式蹦出來，好去解釋宇宙中的某種奇妙現象，而是在三十年中累積了許多觀察與研究，才指出除了暗物質之外，別無其他結論。事實上許多年來，科學家自己都猶豫不定，拒絕相信暗物質是答案。但是到頭來證據確鑿。絕大部分由觀測結果肯定的科學理論，都會受到大肆宣揚，可是暗物質理論應該是人類歷史中大家最不願意認同的理論。這個理論強迫人們承認我們所知道的要比自己所認為的還要少，對任何人來說，都是一堂深刻的謙遜之課程。 科學就是這樣：承認我們有不知道的事情。一旦能夠如此，我們就能夠進步，不論是在科學、知識或是社會整體上的進步。人類整體的進步，來自於知識與科技的進步，兩者相互推動彼此的成長。想要知道宇宙有多大以及裡面有什麼的渴望，想要看到更遠和更黯淡的天體，推動了望遠鏡的進展（從一九○一年的40英吋到二○二一年的30公尺）。天文學家厭倦了笨重的攝影感光板，就帶頭發明了數位光線偵測器，現在我們的口袋裡都有一台數位相機。這項發明促進了分析技術的改進，分析技術又是了解觀測細節所必需的。這些技術後來應用到核磁共振造影（MRI）和電腦斷層掃描，這兩者已經用於診斷許多疾病。在一個世紀以前，掃描身體內部是無法想像的事情。 因此，就如其他的科學家，我對於黑洞效應的研究也是站在巨人的肩膀上，前輩們包括了愛因斯坦、霍金、彭若斯爵士、蘇布拉馬尼安．錢卓斯卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）、喬瑟琳・貝爾・伯奈爾女爵（Dame Jocelyn Bell Burnell）、馬丁．芮斯爵士（Sir Martin Rees）、克爾、安德莉亞．蓋茲（Andrea Ghez），還有其他許多人。他們長久以來奮力研究的內容，讓我能在前人答案基礎上，提出自己的新問題。 科學界花了五百多年才僅僅觸及黑洞真相的表層。這個宇宙中奇特又神祕的現象，我們所知甚少，唯有深入了解黑洞的研究歷史，才能夠更為理解黑洞。從發現最小的黑洞到最大的黑洞，從第一個黑洞到最後一個黑洞可能是什麼模樣，以及黑洞為什麼會叫做黑洞。我們對於科學史的探索將會帶我們從銀河系中央到可見宇宙的邊緣，甚至讓人思考這個困惑我們幾十年的問題：如果「掉進」了黑洞會看到什麼？ 科學有希望提供這些問題的答案，同時又能帶來令人驚訝的新問題，對我來說這是最不可思議的。因為人們一直都認為黑洞是星系中的黑暗核心，但其實黑洞並不「黑」。這些年來，科學家告訴我們，黑洞事實上是整個宇宙中最亮的天體。 | 
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