愛因斯坦大概作夢也沒有想到他的廣義相對論會在一百多年後如此大放異彩。2016年美國雷射干涉重力波天文台 (LIGO) 才宣布偵測到雙黑洞合併的重力波訊號，緊接著就在2017年時獲頒諾貝爾物理獎，開啟了重力波天文學的新世代。2019年台灣參與的事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope; EHT) 團隊發表了史上第一張的黑洞圖像並在隔年獲頒號稱諾貝爾獎前哨的基礎物理特殊突破獎。2020年諾貝爾物理獎則頒發給兩個黑洞相關的重要發現：「黑洞形成是廣義相對論的必然預測」以及「發現銀河系中間的超大質量緻密星體」。這些重要的突破除了滿足我們對未來科幻世界的憧憬同時也是展現人類科學知識進展的一個重要里程碑。獲獎的這三樣重要成就都圍繞著一個共同點：黑洞。

相對論中無可避免的奇異點，既出現在黑洞中心，也曾在大霹靂起點，到底它是怎麼形成的？

相對論與天文觀測如何攜手破解黑洞之謎

2020年諾貝爾物理學獎頒給了黑洞研究。其中一半頒給羅傑．潘洛斯 (Roger Penrose)，表揚他「發現黑洞形成是廣義相對論的堅實預測」；另一半則由賴因哈德．根策爾 (Reinhard Genzel) 和安德烈婭．蓋茲 (Andrea M. Ghez) 平分，因為他們「發現本銀河系中心的超大質量緻密天體」。潘洛斯是數學物理學家，從理論預測黑洞的存在；根策爾與蓋茲則是觀測天文學家，在現實世界找到黑洞存在的有力證據。本文以三人探索黑洞的歷程為線索，說明天文觀測與相對論的理論研究之間，如何在新物理的開拓上相輔相成。

「在我超過 45 年的科學生涯中，衝擊我最深刻的經驗就是愛因斯坦廣義相對論方程式的解......
提供了遍佈宇宙中的黑洞的精準描述......面對這樣的美我不禁顫抖，由於相信數學中的美在大自然中
也該找到對應，因而帶來的咋舌發現，讓我不禁讚嘆美是人類心智最深最強烈的呼應。」

Subramanyan Chandrasekhar
(1983 年諾貝爾物理獎得主)

質子在101年前被發現時，與電子一樣被當作是構成世界的惟“二”的基本粒子。雖然在1930年代，科學家透過測量質子的磁偶矩，發現質子的g值並非狄拉克方程式所預測的值以後，才知道質子並非“基本粒子”，而是由更小的粒子所組成，但由於質子的體積極小，實在難以探究其內在的結構。直到五零年代末，美國物理學家羅伯特·霍夫施塔特（英語：Robert Hofstadter，1915年2月5日－1990年11月17日）才藉由電子-質子的彈性碰撞測量出質子的電磁形狀因子 (electromagnetic form factors)。這代表質子內的電荷有著特定的分佈。事實上，就算質子與電子都沒有被極化，利用神奇的Rosenbluth分離公式，科學家還是能是擷取出電的形狀因子與磁的形狀因子。這些決定形狀因子的變數是電子在碰撞前後的四動量的差的平方，這個變數通常寫作Q2，只要知道電子入射的能量與質子與電子的散射角就可以決定出Q2。這等於是給質子畫一個地圖，描繪它內部的電荷與磁矩的分佈。這些資訊雖然肯定了質子內部的確擁有複雜的結構，但是卻沒有透露形成這些結構的組成粒子的任何訊息。

高能物理學家對於物質世界的瞭解，基於化約論的信念，期待化繁為簡，透過確認在不同尺度下的基本粒子種類，和它們的交互作用，來理解更上層較大尺度的物質結構。在1909年，Hans Geiger 和 Ernest Marsden利用放射性元素產生的α粒子撞擊金箔，觀察有大角度散射的事件，Ernest Rutherford由此結果，推論原子的結構是高度集中極小範圍的正電荷中心和大範圍分布的負電荷粒子，而非原先所想像正負電荷粒子均勻分布所構成，這就是有名的「拉賽福散射實驗」，發現了原子核的結構，也正式開啟了人類利用高能量粒子散射的實驗手段，來探索次原子結構的驚奇之旅。

帕克太陽探測器 (Parker Solar Probe, PSP) 於2018年 8 月 12 日升空了！這是美國太空總署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 的年度大事。在接下來七年的任務期間，帕克太陽探測器將環繞太陽24次來近距離觀測被稱作外日冕 (outer solar corona) 的太陽大氣。借助金星的萬有引力，它的軌道會逐漸縮小。它將在2025年最接近太陽，距離太陽中心僅有9.86個太陽半徑（690萬公里）。屆時它的速度將高達每秒192 公里，是光速的0.064%。這將寫下史上最接近太陽和最高速人造物體的雙料新紀錄。

2020年，一顆自1997年的海爾-波普彗星 (C/1995 (Hale-Bopp)) 以來最為明亮的彗星在盛夏的北半球造成了一股前所未有的觀測旋風，而台灣天文迷在夏至日環食的驚艷後，也迅速把目光聚焦到這顆難得肉眼可觀測的彗星身上。

新太空 (New Space) 通常泛指近年快速發展的太空商業化，相對於過去各國政府一向以國家機構主宰太空發展，現在私人企業扮演越來越重要的角色。例如，以SpaceX為首的新興太空新創公司，逐步投資太空領域，私人企業已擁有最多的可運作衛星數目。而其他網際網路的大型科技公司，如GAFA(Google, Apple, Facebook & Amazon) 等，也正覬覦這塊市場。自2009至2018年，共有180億美元的太空新創投資，單在2018年就有32.5億美元的投資。而依照Bryce Space and Technology, LLC的統計，2018年的全球太空產業已達3,600億美元。當然現在與其他產業（如全球汽車工業產值每年應在3兆美元以上，銷售近億台汽車）相比，目前太空產業的產值（每年發射衛星數應少於1,500顆）還非常小。然而預計太空產業將快速成長，下個十年將成長至數兆美元。

「暗物質」，顧名思義，不發光亦不反光，但提供重力。暗物質約佔宇宙總能量的27%，對星系形成和演化至關重要。然而，目前科學家仍無法在實驗室中直接量測到暗物質，僅能藉由觀測天體間的重力交互作用間接證明其存在。因此，暗物質究竟為何，甚至是否真的存在，無疑是 21 世紀最重要的科學問題之一。關於暗物質的基本概念與介紹，可參閱中央研究院蔡岳霖博士在物理雙月刊所撰寫的〈細說暗物質 [1]〉一文。

“Who ordered that?” 當渺子(muon)1936 年被發現時，物理學家 Isidor Rabi (1944 年諾貝爾物理獎得主 ) 以如此的妙語評論它。

軸子這個假想的粒子早在 1977 年就已提出來，雖然實驗上一直未被偵測到，但是軸子的研究和軸子的搜尋在過去四十多年來一直沒有間斷過。這是因為暗物質的探索一直是宇宙學和粒子物理最熱門、最基本的研究課題，而軸子是宇宙暗物質一個理想的候選者，所以暗物質軸子的研究近年來更是方興未艾。