如上圖所見的這樣一個黑洞陰影中，描述你我世界的兩個重要基本理論發生衝突。並隨之帶出一連串相關的問題，這些問題能否獲得解答？黑洞是否存在？在大家繼續談下去之前，最重要的事情，或許是......必須先得有人看到一個黑洞，也因此，科學家正在努力。

物理上有各種「力」，其中一種，我們至今尚未得以「參透」－－即「重力」。重力是基本物理和天文學交會之點，然而，同樣也是在「重力」這個地方，描述基礎物理和天文學的兩種最基本理論，直接「對尬」了－－那兩種基本理論就是：量子理論和愛因斯坦對時空和重力的理論（又稱「相對論」）。

這兩種理論似乎不相容，但大體上來說，這也還好，不是什麼問題。畢竟兩者的世界大為不同，量子理論敘述的主體極微小，廣義相對論描述的尺度則極龐大。

唯有在尺度極微而重力極大的地方，這兩種理論才會產生衝突，那意味著，其中一種，應該有錯──至少，理論上是。

然而，宇宙中偏有一個地方能看到這個問題真實地存在，尤其，還或許也能對這個問題提出解答：那就是在黑洞周圍邊上，那裏找得到極強的重力！不過麻煩的是，沒有人真的「看」過黑洞。

所以，黑洞到底是什麼？

如果我們想像，整個實體世界的這齣戲是展演在一個「時空」劇院裡，重力就是唯一的那一種「力」，實際上會去改變自己所演出的劇院。

重力雖然支配著宇宙，但此「力」卻未必符合過去我們賦予「力」的傳統定義。愛因斯坦將之稱為一種「時空」出現了「變形」的結果，而或許，粒子物理學的標準模型對重力也根本不適用。

當一個非常大的恆星在生命週期終了時爆炸，由於此時再也沒有足夠的燃料繼續對抗重力，它的最內部會因自己的重力而崩解（話說回來，在這個場景中，的確也會讓我們覺得重力滿像是一種「力」的樣子！）

......然後物質崩塌的現象持續，而自然界還沒有哪種已知的力，能阻擋這個崩塌進行。

......經過無限長時間，恆星會塌縮成一個無限小的點：一個奇異點──或幫它另取一個名字，叫黑洞。

當然，在有限時間中，恆星核仍然會塌縮到一個有限小的尺度，但那將是在極小的區域裡有著極大的質量，無論如何，我們還是以黑洞稱之！

黑洞不會把周圍的一切吸進去

有趣的是，有人說，黑洞注定把一切都吸進去，那不是真的。事實上，無論你的軌道是繞著一個恆星轉，或是繞著由恆星所形成的一個黑洞轉，只要兩者質量是一樣的，就不會對你的軌道帶來任何差別。大家熟悉的離心力和角動量仍然會負責「維安」，想掉也掉不進去。

除非你發動超級火箭推進器讓你在軌道上的旋轉運動突然踩住剎車，於是你才會開始朝圓心內掉落。然而，一旦你開始朝黑洞掉，你的速度就會越來越快，直到達到──光速！

為什麼量子理論和廣義相對論不相容？

在這一點上，問題迸現了，因為根據廣義相對論，沒有什麼比光速運動更快。

光，在量子世界中，是用來交換力和傳輸宏觀世界中的資訊基板。光負責決定你能多快地連接「因」與「果」。

如果你運動得比光速更快，你就能看到事件發生並在事情發生以前就改變那件事。這帶來兩個後果:

1. 當你邊朝內（圓心）掉落、同時達到光速的同時，你還需要以光速朝外飛，以逃離該點，似乎是不可能的，對吧？因此，傳統的物理智慧會告訴我們，一旦任何物質越了界──也被稱為「事件視界」，任何東西都不能逃離黑洞。

2. 這也意味著量子的資訊守恆基本原則，突然被冷酷地忤逆了－－守恆的量子量，憑空消失在一道沉默之牆的後面。

上述情形是否屬實？重力論 (或量子物理學) 是否需要修改？物理學家仍在激烈爭論，誰也不敢說這項爭議最終將以怎樣的方式、朝哪個方向演進。

到底黑洞是否存在？

聽起來，精彩可期，但別忘了，要不是宇宙中真正有黑洞存在，想看好戲的興奮恐怕只是像海市蜃樓的空穴補風吧，所以說，到底，黑洞存在嗎？

在20世紀，我們已累積相當證據表明，某些發出強烈X射線的雙星，實際上是兩個恆星塌縮後形成的黑洞。

此外，在星系中心，我們經常發現有巨大且暗淡的質量聚集的證據，這些可能是超大質量黑洞，其成因，則可能是許多恆星和氣體雲發生合併並最後沉入星系中心。

這些證據雖然足以令人信服，但仍然是間接的。而且，雖說重力波至少已讓我們「聽到」了黑洞在合併，但「事件視界」的特性仍然難以捉摸，到目前為止，還沒有人真正 「看到」過黑洞－－它們太小、太遠，且在多數情況下，是黑的。

如果能直視黑洞，不難想像，所看到的仍將是：黑中之黑。

但是，在黑洞的周邊，因為氣體向內盤旋的緣故，可能很明亮。原因是它們帶有磁場，造成阻力，以致速度放緩。 因為磁摩擦，氣體會加熱到高達數百億度的高溫，並開始發出紫外光和 X 射線。

同時，超高溫電子與磁場中的氣體相互作用，也產生強烈的電波。因此，黑洞可以發光，也可能是包覆在一個發出各種電磁波的火環裡。

火環中心，至深的黑暗

在那火環的中心，事件視界潛匿著，像一隻猛禽，啄食著每一個靠它太近的光子。

由於空間被黑洞的巨大質量所彎曲，所以光路也隨之彎曲，甚至是在黑洞周圍形成許多同心圓，像一條大蟒蛇盤繞著一座深谷。這種盤旋光的效果，早在1916年，著名的數學家大衛·希爾伯特，在愛因斯坦完成廣義相對論的幾個月後，就已經計算出來了。

在多次繞著黑洞轉動後，一些光線可能逃逸，另一些光線則會在事件視界上了結。沿著這道複雜的光路向深處凝視，某種意義上你已在看黑洞。所看到的虛無之底便是事件視界。

如果你拍一張黑洞的照片，會看到就像在發光的一片霧中存在著的一個黑影。因此，我們把這個特徵稱為黑洞的陰影。

有趣的是，陰影看起來會比預期的更大（如果你取的是事件視界直徑來直接比較的話），原因很簡單，黑洞像個巨大的透鏡，會放大自己。

由於光線幾乎永遠繞著黑洞轉，在陰影周圍將是一個薄薄的「光子環」，再往外，你會看到更多的光環，這些光環都出現在事件視界附近，但由於透鏡效應，更往往集中在黑洞陰影周圍。

幻想或真實？

這（黑洞陰影和火環）是只能在電腦上模擬計算的純幻想？還是說，實務上真能看得到？答案是，可能可以。

宇宙中有兩個相對鄰近於我們的超大質量黑洞，它們很大，距離上也相對夠近，近道可以用現代技術來解析這兩個黑洞的陰影。

這兩個黑洞，一個是我們自己的銀河系中心的黑洞， 距離為 26,000 光年，質量是太陽 400萬倍，還有一個是巨大橢圓星系， M87星系（位於室女座星系團）的黑洞，質量為太陽30~60億倍。

M87 距離地球雖然較遠，但質量是銀河系的一千倍，體型也大一千倍，因此這兩個天體的陰影直徑，預計應該差異不大。

就像在紐約要看到一粒擺在歐洲的芥末籽

巧合的是，簡單的輻射理論也預測，這兩個天體在事件視界附近產生的電波頻率，都是在 230 GHz 及以上，這部分，兩者相同。

這個頻率是高還低呢？簡單講，大部分的人只有在過機場掃描器時才有機會和這種頻率短暫相遇，但一些黑洞卻是一直和它長相左右。

這種電波的波長範圍大約在一毫米左右，特性是很容易被水氣吸收。因此，望遠鏡要觀測宇宙裡的毫米波，就必須放置在又高又乾燥的山上，以避免毫米波的輻射被地球對流層吸收掉。

而實際上，我們所需的毫米波望遠鏡必須要可以從荷蘭看得到一個擺在紐約而且是像芥末種子那麼小的物體。那是個比哈伯太空望遠鏡的視力更銳利一千倍的望遠鏡，對於要觀測毫米波的人來說，這也是個「至少得有大西洋那麼大」的望遠鏡。

以虛擬方法實踐了像地球般大的望遠鏡

然而，幸運的是，我們不需要用單一的一整座電波天線蓋住地球那麼大一部分，而可以建造一個虛擬望遠鏡，又具有同樣解析立，那是藉結合來自地球各地高山上的望遠鏡資料來達成。

這樣的技術被稱為「地球自轉合成暨特長基線干涉法」 (VLBI)。這不是特別嶄新的創意，而是已經測試幾十年的方法，但現在才有辦法將它運用在高頻電波頻段。

初步相當成功的實驗已顯示，在此頻率下，事件視界的結構如何，確實是可以探測的。現在，高頻寬的數位設備和大型望遠鏡，讓我們可以大規模地進行這項實驗。

摩拳擦掌進行中

本人作者我，是「黑洞照相機計畫」（ BlackHoleCam）的三位PI之一。「黑洞照相機計畫」經費由歐盟提供，旨在對天文物理上的黑洞進行成像、測量和瞭解。這也是「事件視界望遠鏡」 （Event Horizon Telescope，縮寫為EHT）全球合作計畫的成員單位之一。「事件視界望遠鏡」合作計畫由歐洲、美洲、亞洲和非洲共200多位科學家組成，這群夥伴們將一起拍攝「黑洞的第一張照片」。

2017年4月，我們使用了8座望遠鏡，分別位在西班牙、美國的亞利桑那州、夏威夷、墨西哥、智利、南極6座高山上，我們觀測了銀河中心和 M87星系。

所有的望遠鏡都配備了高精準度的原子鐘，精確地同步資料。當時全球的天氣條件都極為良好，觀測記錄留下好幾 pb 的原始資料。

對於得以使用到這些寶貴資料，團隊成員都感到興奮。當然，即使在最好的情況下，拍攝到的圖像也不及電腦模擬結果呈現的漂亮。但，無論如何都是實實在在的攝影所得， 因此，我們所看到的任何東西，本身都極其有趣。

為了獲得更好的圖像，格陵蘭和法國都有望遠鏡正在加入我們的行列。此外，我們也開始籌資在非洲和其他地方蓋更多望遠鏡，EHT甚至也考慮增加部署一座太空望遠鏡。

黑洞的「照片」

當我們真的成功地看到一個事件視界時，我們就能知道的是，在量子理論和廣義相對論中所遭逢到的，並非僅只是抽象性問題，而是非常真實存在的問題。我們將可以在宇宙中的幾個角落，很明顯標示出，在哪幾塊陰影區域中，有黑洞。

那或許也是前述的一些問題最終得以解決的關鍵地點。

這個目標，可以藉由取得更清晰的陰影區域圖像來達成，或者用追蹤繞著黑洞在轉的恆星和脈衝星軌道方式實踐，或者是藉由測量黑洞合併時的時空漣漪來做，或者最有可能的是，讓我們動用人類現有的全部技術，聯合在一起，實現探測黑洞的目標。

昨天的奇思異想，將成為明天的科學實驗室

我還在唸書的時候，曾考慮過未來要念什麼：是粒子物理好呢？還是天文物理？讀了不少科普文章後，我的印象是，粒子物理學已經達到巔峰，粒子物理領域已建立起一個有模有樣的標準模型，該模型能夠解釋大部分支配我們的世界的力，及粒子。

相對的，探索迷人宇宙至深之處的天文學，則剛剛起步而已，天文上還有很多東西等著被發現。而我，想發現一些東西。

所以最後我選擇了天文物理學，因為我想瞭解重力。而既然黑洞附近能找到最強的重力，我決定盡量靠近黑洞，越近越好。

回頭一看，當初唸書時帶有幾分奇幻，名叫黑洞的概念，如今即將成為一個非常真實、可見的物理實驗室。