00:00 開頭
01:42 黑洞概念的提出
02:42 20 世紀的黑洞理論
04:33 黑洞理論的爭議
05:40 黑洞理論重回主流
06:29 黑洞就在我們身邊？
07:33 事件視界望遠鏡（EHT）計畫
09:26 我們的觀點
10:25 問題
10:43 結尾
---【 影片口白逐字稿 】---
2022 年 5 月 12 日，由全球 13 個機構，共同主導的「事件視界望遠鏡計畫」，公開了史上第二張黑洞照片，再度引起全球天文迷的瘋狂！究竟，「黑洞」是如何從一個紙上的理論，一步一步被證明、到最後被觀測出來的呢？今天，就讓我們一起來聊聊「黑洞理論的歷史」吧！
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hiho～大家好，我是志祺！
2019年4月10日，「事件視界望遠鏡計畫」，公開了人類史上第一張黑洞的照片，讓世界各地的人，第一次觀測到黑洞的真面目！而在2022年5月12日，EHT計畫又公開了另一個黑洞的影像：人馬座A*。
在這之前，相信很多人早就對黑洞耳熟能詳，它是科幻電影中常出現的時空入口，也是科學家認為真實存在的神祕天體。但你知道嗎？其實，歷史上曾經有段時間，科學家們認爲黑洞根本不存在，甚至連深入研究的動力都沒有。今天這集，我們會從「黑洞理論」開始談，聊聊黑洞經歷過什麽爭議，又是誰證明了黑洞的存在呢？
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【黑洞概念的提出】
黑洞的概念，是怎麼出現的呢？雖然有不少人認為，愛因斯坦提出廣義相對論之後，黑洞理論才第一次登場。但事實上，早在18世紀，英國物理學家米歇爾（John Michell）和法國數學家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）就已經利用牛頓力學提出了類似的學説。當時，不少學者認爲「光是一種微粒」，也就是實際的物質，所以會受到重力的影響。
基於這樣的想法，米歇爾和拉普拉斯推測，如果一個恆星的質量夠大，它的重力就能夠把光微粒困在恆星上，如此一來，外界接收不到光微粒，就等於這顆恆星是一顆「看不見的星球」。
但是後來，荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens），提出了「光的波動說」，認為光是一種「波」，並不會受到重力影響。隨著波動說被各種實驗證實，許多人接受了這樣的想法，也就間接否定了「看不見的星球」的存在！不過，到了1915年，在愛因斯坦提出了「廣義相對論」之後，這個「看不見的星球」，似乎又敗部復活了！
【20 世紀的黑洞理論】
在「廣義相對論」當中，愛因斯坦把「重力」重新定義成「巨大物體對時空造成的扭曲」，像是恆星的附近，就存在著時空扭曲，間接影響周圍其他天體的運動。這個革命性的理論，完全顛覆了學界過去認知！當時，德國物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild），深深被廣義相對論吸引。而在研究之後，他不僅推算出「廣義相對論」的主軸——重力場方程式的一個解答，還算出了一個非常重要的「臨界半徑」。當一個天體的半徑，小於臨界半徑的時候，就會因為自身的重力，而塌縮成一個體積無限小、密度無限大的「奇異點（singularity）」。這個時候，奇異點具有強大的引力，在臨界半徑內的所有物質，包括光線在內，通通都逃不出去！以現在的觀點來說，這就是黑洞初步的概念。
舉例來説，地球的臨界半徑，大約是1公分左右，也就是說，如果在維持質量不變的狀況下，把地球壓縮、壓縮、再壓縮，壓到比一顆迷你足球巧克力還小的時候，地球也會塌縮成奇異點，變成一顆小黑洞。而距離奇異點1公分以内的物質，都會被吸進奇異點，進入一個我們完全無法預知的領域。
到了 1930 年代，科學家歐本海默和史奈德則進一步指出，一個巨大的恆星，的確可能因為崩塌而形成黑洞。他們認為，恆星的内部有兩種力量，一種是因為核融合反應，由中心向外擴張的龐大能量。另一種，則是恆星本身，因為質量而向中心落下的重力。
一般來說，這兩種力量會達到平衡。但是，當核融合的燃料用盡、向外擴張的能量變弱之後，星球龐大的重力佔上風，就會讓物質往中心塌陷、收縮，進而演變成白矮星、中子星、或者是黑洞。以上的這些研究，都點出了黑洞存在的可能性，但對許多人來說，「黑洞」的概念還是難以接受。
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【黑洞理論的爭議】
首先，「奇異點」的概念，實在是太奇異了。即使數學模型看起來，黑洞有可能存在，但要想像所有物質、光線，都會掉進密度無限大、體積無限小的一個「點」（比個手勢），還是讓許多人難以置信。過去許多科學家，也都是這樣想的。不少人認為，黑洞只是理論上的產物，就連愛因斯坦本人也評論，史瓦西的計算，只適用於理想世界而已，並不符合真實的狀況。除此之外，科學家對於「星球會塌縮」的說法，也充滿了質疑，不少人認為，宇宙一定存在某種機制，阻止天體塌縮到臨界半徑以內。
雖然有科學家，想藉由實際觀測、或是其他數學模型，確認天體會塌縮、會演化成黑洞。但是，由於當時的學界，還沒完全參透廣義相對論，再加上，星體觀測也找不到任何直接的證據，導致黑洞理論走進死胡同，相關研究陷入了長達幾十年的泥淖。所幸，有一部分科學家堅持下去、埋頭研究，最終，讓黑洞理論再次復甦、重回主流，進入了黑洞研究的「黃金年代」！
【黑洞理論重回主流】
1960年代，黑洞理論出現突破性的進展！其中一個重要的功臣，就是日後得到諾貝爾物理學獎的羅傑．潘洛斯 (Roger Penrose)。1965年1月，潘洛斯發表了一篇論文，用全新的模式解讀黑洞，證實了奇異點非常有可能真實存在！而這篇論文，也被譽為是愛因斯坦之後，廣義相對論最重要的著作，不只讓黑洞理論漸趨完備，也讓科學界再次重視黑洞的研究。另一方面，天文觀測也大有斬獲！
隨著無線電波探測的技術越來越進步，天文學家也觀測到，許多需要用「重力塌縮」才能解釋的天文現象。再加上，美國理論物理學家惠勒（John Wheeler）的臨門一腳，用電腦成功模擬出了黑洞。到了1960年代末期，黑洞已經重回主流，漸漸被科學界所接受！
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【黑洞就在我們身邊？】
到了 20 世紀的末期，根據電波觀測和恆星運動的觀測，「銀河系中心有一個超大質量黑洞」的概念，慢慢成爲了科學界的共識。不少科學家也發現，銀河系中心附近發射出的強烈X射線，可能是黑洞外圍物質摩擦、碰撞產生的高溫與磁場所造成的現象，而在「人馬座A*」的位置，就是最強的X射線電波源。
不過，由於過去的天文觀測技術，還無法直接觀測到黑洞，因此，科學家努力透過「間接證據」，來推測一個星體是不是黑洞。當時，德國的根策爾（Reinhard Genzel）以及美國的蓋茲（Andrea Ghez），就分別帶領研究團隊，觀測人馬座A*附近的恆星運動，藉此計算人馬座A*的星體質量跟半徑。
結果，兩個團隊的都發現，人馬座A*具有巨大的質量，但體積卻近似於一個點，極有可能就是黑洞！而這個巨大的突破，也讓他們之後獲得了諾貝爾物理獎的肯定。到了這個階段，無論是理論還是間接證據，「黑洞」的存在幾乎沒有爭議了。而下一步，人類的目標，就是要親眼「看見」黑洞！
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【事件視界望遠鏡（EHT）計畫】
為了看見黑洞，科學界啟動了全球合作的「事件視界望遠鏡計畫」。這個計畫的目的很單純——就是要獲得一張黑洞的照片。可是，拍照需要有光才能成像，但黑洞本身不發光，那要怎麽做才好呢？黑洞附近的物質，在繞著黑洞高速旋轉的狀態下，會發出電磁波。而因為黑洞有「極端重力」，不僅彎曲了時空，也把電磁波的軌跡彎曲了，讓黑洞像是影子一樣投射出來。所以説，雖然是黑洞的照片，但概念上，其實是拍攝黑洞的「影子」的照片。另外，我們能觀測到的黑洞非常、非常遠，為了有夠大的解析度，我們就需要有口徑很大的望遠鏡。
EHT計畫，便是聯合了包含中研院天文所在内的全球13個機構，使用在地球表面各處的8個望遠鏡，利用特殊的演算法，模擬出一台「地球等級的望遠鏡」。這個龐大的計畫，花費了二十年才建置好軟硬體設備！終於，在2019年，EHT 公佈了史上首張黑洞照片——位在 M87 星系中心的超大黑洞，讓人類首次目睹黑洞的真面目。
而在三年之後，EHT 再度公佈了第二張黑洞照片，也就是剛剛提到，位於銀河系中心的人馬座A*。第二張照片再度證明，EHT的觀測方式是正確的！未來可以繼續往這個方向發展。下一步，科學家將會探索更細微的黑洞結構，獲得更精細的黑洞照片。除此之外，EHT計畫，也打算建立「太陽系等級的望遠鏡」，來觀測附近星系的黑洞。
值得一提的是，EHT計畫能順利進行，台灣團隊的貢獻不可或缺。像是在這次觀測中，大約有40名來自台灣的研究員與工程師，支援了其中3座望遠鏡的建造與運作。此外，台灣甚至還「救援」了一次觀測，迅速支援了南極站點所需要的儀器，讓觀測能夠順利進行下去！
【我們的觀點】
其實，黑洞理論的歷史，還有很多、很多的人物和故事可以講，像是霍金對黑洞的賭注、或是發現重力波的過程，其實都是很精彩的故事。但礙於篇幅，我們今天只能忍痛省略很多細節，有興趣的觀眾，可以到延伸閱讀了解更深入的內容！那麼，看完了資料，我們真心覺得，能夠見證到科學界，從預測黑洞的存在、不斷地質疑、證明、質疑、證明、直到能實際看到黑洞的過程，是非常難得的一件事情。
歷史上，很多重要的科學發現，都是先觀察到一個特別的現象之後，才利用實驗去把這些現象歸納出來，進而發展出背後的理論。但黑洞的出現卻恰恰相反，人們是先從理論中，預測了黑洞的存在，才一步一步地尋找黑洞存在的證據。
而這兩次EHT計畫的成果，不僅是證明了前人的智慧，也證明了人類只要放下爭執、攜手合作，足以將我們推向從未想像過的領域，讓知識的邊界再一次被拓展！
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好的，今天最後想問大家，第一眼看到黑洞的照片時，你的想法是什麽呢？
A. 超感動，終於看到黑洞的真面目了
B. 太佩服了，感謝全球科學家的付出
C. 覺得很有趣，原來黑洞長得像甜甜圈
D. 有點小小的失望，原本以為黑洞照片看起來會更厲害
E. 其他，底下留言分享吧！
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最後，如果你喜歡今天的影片，歡迎分享出去，讓更多人一起知道「黑洞科學史」！
此外也可以點這邊，看看「移民火星可能嗎？」以及「超猛的哈伯太空望遠鏡」；那麼，今天的志祺七七就到這邊告一段落，我們明晚再見囉！
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【 本集參考資料 】
→黑洞問與答 https://bit.ly/3uW4KvW
→2020諾貝爾物理學獎》揭開黑洞的宇宙奧秘！英、德、美3位天文學家共同摘下桂冠：https://bit.ly/3RAFmFP
→2020諾貝爾獎——黑洞存在嗎？：https://bit.ly/3uVPCyN
→從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路（上）：https://bit.ly/3uUH9f0
→重力塌縮是什麼？──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》：https://bit.ly/3yGmBrC
→再次看見「甜甜圈」黑洞！事件視界望遠鏡解密銀河系中心的「巨獸」：https://bit.ly/3O9JdGQ
→從此有了黑洞。史瓦西誕辰｜科學史上的今天：10/9：https://bit.ly/3yKQFmg
→「黑洞」從何而來？科學家百年來的推論歷程：https://bit.ly/3aP0AiD
【 延伸閱讀 】
→2020諾貝爾獎——黑洞存在嗎？：https://bit.ly/3yPBKXH
→銀河系中心的超大質量黑洞，中研院揭曉「人馬座 A 星」的神秘面紗！：https://bit.ly/3aKkb3x
→從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路（上）：https://bit.ly/3cmxYxD
→從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路（下）：https://bit.ly/3Oe2K95
→人馬座 A 星就是銀河系黑洞！事件視界望遠鏡 EHT 最新影像解讀！：https://bit.ly/3zbCyHQ