黑洞－讓我們從太陽中心啟程

放諸四海皆準
在牛頓發明萬有引力定律之前，並沒有充分的理由讓我們推論，地球上的物理定律和宇宙其他地方一樣。地球與天外一切各司其所，事實上，當時許多學者認為，無盡蒼天是我們卑微凡人所不可知的。第九篇中我們就會看到，當牛頓讓一切運作變成可理解與可預期時，便破除了這道哲學藩籬，一些神學家批評他搶走上帝的一切功勞。牛頓發現，讓蘋果從枝幹落下的重力作用也是引導拋出的物體會延曲線運行，並讓月亮循著軌道繞地球運轉。牛頓的重力定律也引導大小行星及彗星沿著軌道繞行太陽，讓數千億星辰盤旋在銀河系裡。

這些物理定律的普遍運用為科學界帶來很大的衝擊，重力只是一切的開端而已。試想，十九世紀的太空人第一次把可將光束分解成光譜的實驗室稜鏡轉向太陽時，他們的反應有多興奮。光譜不僅美麗，也內含眾多與發光體有關的資訊，如溫度與組成等等。化學元素以光譜上顯現的獨特光影透露出一切資訊。人類驚訝地發現，太陽上的化學特徵和實驗室裡看到的一模一樣。從此稜鏡不再是化學家的專屬工具。它顯示，即使地球和太陽在大小、組成、溫度、地點、外觀上都不一樣，但兩者都包含一些相同的物質，例如氫、碳、氧、氮、鈣、鐵等等。但比起這一長串共同的成分，更重要的是，科學家發現，用來說明太陽光譜形成的物理定律也適用在九千三百哩外的地球上。

由於這個概念適用範圍實在太廣了，所以反過來應用也行得通。不過，進一步分析太陽光譜時發現，在地球上找不到某元素的相對成分。由於這種新物質是源自於太陽，所以科學家便以希臘字helio（太陽）來命名，直到後來實驗室中才發現這項物質，所以「氦」（helium）是化學元素週期表中第一個、也是唯一一個不是在地球上發現的元素。

好，物理定律在太陽系中也行得通，但是跨整個星系？整個宇宙？跨越時空又是如何呢？這些定理都一一測試過了。附近的星體也顯現出類似的化學物質，受共同軌道牽引的遙遠雙星似乎也都懂牛頓的重力定律。同理，雙重星系也是如此。

另外，就像地質學家觀察層層不同的沉積物一樣，我們觀察得愈遠，就能看到愈久以前的情況。宇宙中最遠物體的光譜也顯示出和宇宙其他地方相同的化學特質。沒錯，以前重元素成分並不高，它們主要是後來好幾代星體爆炸所產生的，但是創造這些光譜特質的原子與分子過程依舊沒變。

當然，宇宙中的一切事物與現象並不是在地球上都能找到相對應的事物。你可能從未穿過高溫數百萬度、熱得發亮的等離子星雲（plasma cloud），你在路上可能也從沒碰過黑洞。但真正重要的是：可以解釋這些現象的物理定律是放諸四海皆準的。當我們把光譜分析首度應用在星際星雲所發出的光時，又再次出現一種地球上找不到對等的物質，但化學元素表上並沒有它的立足之地，後來發現「氦」以後，就多出了一些空位。所以天文物理學家便發明了「 」（nebulium）一字，做為未知元素的占位符號。後來才發現，太空中氣體星雲相當稀少，原子再怎樣也不會撞在一起。在此情況下，電子在原子內運作的方式是地球實驗室內從未見過的。 的樣子就像一般氧氣異常運作時一樣。

物理定律的普遍適用性讓我們知道，萬一我們飛抵一個外星文明蓬勃發展的星球時，即使他們的社會與政治理念與我們不同，他們還是和地球一樣依循著相同樣的物理定律。而且，如果你想和外星人溝通，你可以肯定他們絕對不會說英文、法文、甚至中文。你甚至不知道能不能和他們握手（如果他們有手可以握的話），不確定握手是友好還是敵意的象徵，你最好想辦法以科學語言溝通。

一九七○年代，人類以先鋒十、十一號及航海家一、二號太空船做了以上的嘗試，這些太空船是唯一速度快到足以掙脫太陽系引力的設備。先鋒號上有一塊黃金刻版，上面以象形圖表顯示太陽系的形式、我們在銀河系裡的位置、以及氫原子的結構。航海家又更進一步，還錄製了地球的多種聲音，包括人類心跳、鯨魚「鳴唱」、以及貝多芬與查克．貝瑞(搖滾樂之父)等林林總總的曲目。雖然此舉更有人性化，但我們也不知道外星人的耳朵是否能聽出什麼（假設他們有耳朵的話）。航海家號發射不久後，《週末夜現場》（Saturday Night Live）針對這種做法所拍攝的諷刺短劇最令我絕倒，發現那架太空船的外星人只回了地球人一句話：「再多來點查克．貝瑞的歌吧！」。

我們在第三篇中將詳細說明，科學日益蓬勃不僅是因為物理定律普遍適用，也是因為物理常數的存在與永續性使然。多數科學家都知道的重力常數G讓大家可以用牛頓的重力方程式計算重力大小，長久以來已歷經多種不同的測試。用算數即可判斷星體的亮度和G有密切的關係。換句話說，如果G在以前稍微不同，太陽的能量輸出會比任何生態、氣候、或地質記載的變化還大出許多。事實上，我們並未發現任何隨時間或地點改變的基本常數，它們是真的恆常不變。

我們的宇宙就是這樣運作的。
在所有的常數中，光速是大家最熟知的。不管你的速度有多快，也拼不過光速，為什麼？過去的實驗都沒有證實過任何物體可以達到光速，經過完善測試的物理定理也預估及說明了這點。這些說法聽起來似乎過於避塞。的確，過去某些最讓人尷尬的科學宣言都低估了發明家與工程師的智慧。例如，「我們永遠也飛不起來」、「飛行絕不可能商業化」、「我們不可能飛得比音速還快」、「我們無法再分裂原子了」、「我們不可能登陸月球」等等，這些話大家都聽過，它們的共同點是：他們都不是根據既定的物理定律推衍出來的。

「我們永遠無法比光速還快」的主張在本質上是全然不同的預估，它是從歷久不衰的基本物理原理推演出來的，無庸置疑。未來給星際旅人看的公路廣告上一定會寫著：
光速：
不僅是好主意，更是定律。

物理定律的優點在於，它們不需要執法單位來管理。不過我以前倒是有一件搞笑的T恤，上面大辣辣地印著「遵守引力」。

許多自然現象是多重物理定律同時交互作用的結果，所以常把分析變得更為錯綜複雜，很多時候都需要超級電腦才能計算及追蹤重要的參數。一九九四年，當蘇梅克．李維九號(Shoemaker-Levy 9)彗星撞擊木星，然後在木星充滿氣體的大氣中爆炸時，計算該事件的最準確電腦模型是結合了流體力學、熱力學、流體運動幾何學、及重力學定律。氣候與天氣也常見複雜（且難估）的現象，但它們還是受到基本定律所左右。木星的大紅斑（Great Red Spot）是已經持續至少三百五十年的高壓氣旋，它的形成和地球及太陽系其他地區的風暴都是根據同樣的物理程序。

守恆定律是指無論如何依舊不變的普遍真理。三種最重要的守恆定律分別是：質量與能量守恆定律、線動量與角動量守恆定律、電荷守恆定律。在地球及宇宙中曾經觀察過的地區裡，這些定律都很明顯，從粒子物理學界到宇宙的大規模結構都適用。

說了這麼多優點，但天外的一切也不盡然是那麼的完美。就像我們之前所說的，宇宙中百分之八十五的重力是來自於神秘不明的來源，是我們所無法觀察、觸摸、或體驗的。這些神秘的黑暗物質除了對我們看到的物體產生引力外，其他的一切至今未明。它們可能是由我們尚未發現或無法辨識的奇怪粒子所構成的。不過，也有一小群天文物理學家還是不相信，他們依舊認為黑暗物質並不存在，我們只不過需要修改牛頓的重力定律而已，只要在方程式中再加入幾個要件，一切就可以搞定了。

或許有一天我們會發現牛頓的重力定律的確需要修正，那也無所謂，因為這種事已經發生過一次了。一九一六年，愛因斯坦發表他的廣義相對論時，把重力定律加以修改，讓它可以套用在質量極大的物體上，這是牛頓所不知的，也是重力定理無法解釋的領域。所以這個故事告訴我們什麼呢？我們對定律的信念，會因為驗證定律的條件範圍而變。定律驗證的範圍愈廣，用來解釋宇宙就愈有說服力。在一般重力下，牛頓的重力定律並沒有問題。但是在黑洞及宇宙的大規模架構上，我們就需要廣義的相對論。兩種定律在各自的領域裡都可以完美地運作，不管是在宇宙的哪個領域裡都一樣。

對科學家來說，物理定律的普遍適用性讓宇宙變成一個極其簡單的地方。相對的，人性（心理學家的領域）則是極其複雜。在美國，教育局投票決定學校的授課課程，有時這些人會根據時下的社會與政治風潮投票。世界各地有各式各樣的信念系統，因而產生政治分歧，總是無法和平解決，有些人會對著巴士標竿喃喃自語。物理定律了不起的地方在於，不管你願不願意相信，它們都是放諸四海皆準的。在物理定律之下，其他的一切都只是輿論而已。

科學家並不是不會爭論，我們當然會，而且吵得很。但是當我們爭論時，通常只是針對一些資料的詮釋就我們所知道的表達意見。每次有物理定律提出來討論時，爭論一定都很簡短：不，你想的永久運轉機器是永遠行不通的，這和熱力學相抵觸。不，你不可能製造出時光器，讓你在出生之前先把你母親殺了，這違反了因果定律。在沒有違反動力定律下，你不可能同時飄起又浮在地面上，即使盤腿打蓮花坐也一樣。不過，理論上，如果你可以設法放一個又強又久的屁，或許可以表演這樣的絕技。

了解物理定律有時候可以讓你從容地應付跟你鬧彆扭的人。幾年前，我在加州帕莎迪那（Pasadena）的甜點店裡享用睡前的熱可可時，我要求上面幫我加鮮奶油，但是送到我面前時卻完全不見鮮奶油的蹤影。我告訴服務生我的可可少了奶油，他卻堅稱奶油已經沉入杯底了。由於鮮奶油的密度很低，會浮在所有飲料的上頭，我跟這位服務生講了兩種可能的解釋：要不是有人忘了在我的熱可可上加鮮奶油，就是物理通則在這家餐廳裡並不適用。他不相信，以一團鮮奶油自己測試，那團鮮奶油在我的杯子裡晃了一兩下後就浮著不動了。

物理定律放諸四海皆準的特質還需什麼更好的證明？

放諸四海皆準在牛頓發明萬有引力定律之前，並沒有充分的理由讓我們推論，地球上的物理定律和宇宙其他地方一樣。地球與天外一切各司其所，事實上，當時許多學者認為，無盡蒼天是我們卑微凡人所不可知的。第九篇中我們就會看到，當牛頓讓一切運作變成可理解與可預期時，便破除了這道哲學藩籬，一些神學家批評他搶走上帝的一切功勞。牛頓發現，讓蘋果從枝幹落下的重力作用也是引導拋出的物體會延曲線運行，並讓月亮循著軌道繞地球運轉。牛頓的重力定律也引導大小行星及彗星沿著軌道繞行太陽，讓數千億星辰盤旋在銀河系裡。這些物理定律的普遍...

序章：科學之始
第一篇　知識的本質－－了解宇宙可知事物的挑戰
　　１. 覺醒
　　２. 放諸四海皆準
　　３. 眼見不足為憑
　　４. 資訊陷阱
　　５. 老式科學
第二篇　自然知識──探索宇宙萬象的挑戰
　　６. 從太陽中央啟程
　　７. 行星大展
　　８. 太陽系的流浪者
　　９. 拉格朗日的五點
　　10. 反物質真重要
第三篇　自然之道──自然如何對探究者展現自我
　　11. 恆常不變的重要
　　12. 速限
　　13. 軌道運作
　　14. 談密度
　　15. 光譜傳奇
　　16. 宇宙視窗
　　17. 宇宙的顏色
　　18. 宇宙電漿
　　19. 冰與火
第四篇　生命的意義──了解生命始末的挑戰與成果
　　20. 塵歸塵，土歸土
　　21. 恆星製造
　　22. 氣雲演化
　　23. 歌蒂拉與三顆行星
　　24. 水、水
　　25. 生存空間
　　26. 宇宙中的生命
　　27. 無線電泡泡
第五篇　宇宙變糟時──宇宙想毀滅我們的種種方法
　　28. 太陽系裡的混亂
　　29. 矚目焦點
　　30. 世界末日
　　31. 星系引擎
　　32. 摧毀他們
　　33. 死亡黑洞
第六篇　科學與文化──宇宙新知與大眾反應之間的波折
　　34. 眾說紛紜
　　35. 數字恐懼
　　36. 談困惑
　　37. 科學足跡
　　38. 暗裡乾坤
　　39. 好萊塢之夜
第七篇　科學與上帝──認知方法相抵觸時
　　40. 初始
　　41. 聖戰
　　42. 無知之界

序章：科學之始
第一篇　知識的本質－－了解宇宙可知事物的挑戰
　　１. 覺醒
　　２. 放諸四海皆準
　　３. 眼見不足為憑
　　４. 資訊陷阱
　　５. 老式科學
第二篇　自然知識──探索宇宙萬象的挑戰
　　６. 從太陽中央啟程
　　７. 行星大展
　　８. 太陽系的流浪者
　　９. 拉格朗日的五點
　　10. 反物質真重要
第三篇　自然之道──自然如何對探究者展現自我
　　11. 恆常不變的重要
　　12. 速限
　　13. 軌道運作
　　14. 談密度
　　15. 光譜傳奇
　　16. 宇宙視窗
　　17. 宇宙的顏色
　　18. 宇宙電漿
　　19. 冰與火
第四篇　...