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「不科學」的自然發生說,與它其實蠻科學的起源——自然發生說簡史(一)

活躍星系核_96
・2017/12/21 ・5468字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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  • 作者/何邊書,自然史與科學史的研究者與科普作者。

關於生命如何起源的問題,本質上有兩類不同的意見。第一類意見認為,生命由一個或者幾個超自然的力量所創造。另一類意見是生命起源於非生命的物質,這種起源是可以用自然的定律解釋。 如果要仔細考量,那麼除此之外還有第三類意見, 就是生命古以有之,根本不存在起源的問題。

第一類意見我們姑且稱之為創世說,它屬於非科學的範疇。所謂非科學,就是不能用科學的方法和手段去驗證其是非真偽,也不可以用科學的理論去分析。有鑒於此,筆者基本上不會對這種意見加以詳細分析和評價。第二類意見屬於科學領域,這是我們要重點探討的。

第三類意見叫做生命連續說,在 19 世紀後期到 20 世紀初期曾經興盛一時。簡單說來,它認為生命與非生命有明確的界限, 生命只能來源於生命,因此不存在生物起源的問題。 一個顯而易見的問題是,當時科學界已經意識到地球有著一個起始點 ,那麼在地球起始之前,生命從何而來? 這一派學者的提出一個解決方案,即生命從宇宙中來。

生命起源的問題,至今仍無解,圖/by WuZheng926@pixabay。

這種信念在 20 世紀早期引發了對外星生命探索的熱潮。當時科學界相信宇宙的無邊無際,無始無終。即便偉大如愛因斯坦,也要給自己的廣義相對論加上一個宇宙常數項,以維持宇宙的穩定。因此, 生命在宇宙範圍內無始無終確實也是一個可能的選項。可是在 1927 年哈伯發現宇宙在擴張之後,科學界越來越認識到原來宇宙也有自己的起點。那麼即便地球上的生命來源於宇宙,宇宙中的生命也必然有一個起點。生命的起源終究還是一個繞不過去的坎。所以第三種意見已經基本上被科學界否定了。

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生命起源的科學理論

生命起源的科學理論,認為生命起源於非生命的物質,而這種起源可以用自然的定律解釋。

這類理論又可以分為兩類。第一類理論認為生命的出現是一件容易而普遍的事,流行於 20 世紀前的自然發生說( Spontaneous Generation),認為生命在現今的自然條件下可以經常性地出現;其後的一些理論認為生命並不能在現今的自然條件下出現, 但是在其他一些條件下可以出現,而那些條件,在宇宙中是廣泛存在的,所以生命在宇宙中是一個普遍的現象。第二類理論認為生命能在地球上出現是中了頭彩。生命的出現即便在宇宙的大尺度範圍內也是很難發生的,而地球上能夠出現生命是因為各種機緣巧合,各種必要的要素恰好同一時間能相聚於地球。生命現像在宇宙中極其罕見,地球即便不是宇宙內唯一的擁有生命的星球,也必定是屈指可數。

當時科學界相信宇宙的無邊無際,無始無終,圖/by hyperkkf@flickr。

我們所要探討的第一種理論就是自然發生說這是流行於西方 20 世紀之前的一種學說,其主要觀點就是生命可以在自然條件下經常性地從無生命的物質中產生。如果再詳細分類,可以把自然發生說分為兩種意見,第一種意見認為生命可以從有機物中產生,所謂有機物就是指在生物體,生物殘骸或者生物代謝產物中存在的物質。這種理論又稱為異質發生論( heterogenesis)。第二種意見認為生命可以從無機物中產生,這種理論又叫無機發生論(abiogenesis)。

如果用現代的標準來看,或許自然發生說可謂一無是處。但是筆者倒認為自然發生說在科學歷史上的地位值得大書特書,因為它的興衰見證了 20 世紀前人類認識生命現象的種種進步以及科學實驗方法應用於生物學領域的從無到有的過程。

自然發生說是歷史上第一個提出生命起源於自然的理論,它的歷史之長幾乎可以和創世神話相提並論。在中國,戰國時代的《禮記· 月令》篇中就有「腐草為熒」的記載。在希臘,亞里斯多德就對自然發生說做了系統的描述。可以想像,人們對自然發生說的模糊認識遠在這些記載與論述之前。

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自然發生說的興衰印記了 20 世紀前人類認識生命現像的種種進步以及科學實驗方法應用於生物學領域的從無到有的過程,圖/by Own work, Till Niermann, 6 June 2008@wikipedia commons。

與創世神話不同,自然發生說的來源並不是空想,而是來源於觀測 。它的出現並不難理解,因為在自然界中,生物「自然而然」出現的例子實在太多了。泥土裡會突然出現蟲子,水塘裡會突然出現小魚,身體上會突然出現跳蚤,草堆裡會突然出現老鼠。這些現象都讓人感覺到這些動物是自然而然地從沒有生命的物質中產生出來。

亞里斯多德與自然發生說的系統性發展

在群星璀璨的古希臘,哲學家們早就注意到這個現象,自然發生說被他們作為創世神話之外對生命起源的另一種解釋。公元前 7 世紀,一 群已經不甘於用神話解釋世界的哲學家聚集在小亞細亞的小城米利都(Miletus)。他們中以泰勒斯(Thales)為首,拋開了天神,開創了以物質解釋宇宙的學說。這就是史上最早的唯物主義哲學流派——米利都學派(Milesian school)。

泰勒斯主張世界萬物起源於水;他的弟子阿那克西曼德(Anaximander) 進一步發展了其理論,主張世界起源於一種他稱為 Apeiron 的無限小的物質。阿那克西曼德的弟子阿娜克希曼尼斯( Anaximanes)主張世界起源於空氣。 在這些米利都學派理論的基礎上,恩培多克勒( Empedocles)首先提出宇宙的四元素說:宇宙由土、火、 空氣和水四種元素組成,並且進一步地給出了四種元素幻化成萬物的路線圖。這些唯物主義的觀點都包含了生命來源於非生命物質的推論 。

宇宙由土、火、 空氣和水四種元素組成,圖/by Clker-Free-Vector-Images@pixabay。

最早系統闡述自然發生說當屬亞里斯多德(Aristotle)。 亞里斯多德是位不世出的大牛,他和老師柏拉圖(Plato)(或許還得算上柏拉圖的老師蘇格拉底(Socrates))奠定了西方哲學的基石。他雖然是柏拉圖的學生,但是他的學說和柏拉圖的基本是截然不同甚至是針鋒相對的。與柏拉圖相比, 亞里斯多德在自然科學上的成就尤為重要,可以說是第一個百科全書式的人物。他的研究涉及了當時自然科學的幾乎所有領域, 包括天文、物理、化學以及生物等等。

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亞里斯多德雕像,圖/by Jastrow (2006)@wikipedia commons。

亞里斯多德在生物學上用功尤多,是第一個系統記錄下自己的生物學觀察與研究的科學家(至少是現在有據可查的第一個)。他仔細觀察了多種動物的形態和生命史,包括章魚、鯰魚、鯊魚等等, 有的觀察對像直到 19 世紀才再次被科學家「發現」。他也是第一次對動物進行了分類的科學家。

亞里斯多德對生物起源的研究主要集中在《動物史》(On the History of Animals)一書。在這本書中,他把詳細描述了各種生物的生命史,有卵生的、胎生的,還有自然發生的。 比如在第 6 章第 15 節,他提到「大部分的魚都是由卵孵化的, 但是有一些魚卻並非如此⋯⋯它們是從淤泥、 沙土以及腐殖質中產生⋯⋯在原本已經干旱的池塘中, 一旦有水到來,那麼就有小魚出現。這些魚大概是鯔科( mullet)的一種,這些魚既不產卵,也沒有奶⋯⋯」。

在第 16 節,他又提到鰻魚(eel)。「有人說,鰻魚是從自己的同類中產生,因為他們觀察到了一些鰻魚的幼蟲。但是這些論點都是沒有事實根據的。鰻魚產自一種叫做『土地之源(earth’s gut)』的東西,這些東西是從淤泥和潮濕的土地中產生的。」

美洲鰻的幼苗。圖/Kils ,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,wikimedia commons.

在另一本書《動物的產生》(Generation of animals)中,亞里斯多德又提到一些昆蟲也通過自然發生的方式產生,而植物也可以通過類似方式吸取土地裡的營養而自然產生 。

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可以說在亞里斯多德的生命誕生體系中,生命的誕生有兩種途徑:第 一種是來源於另外的生命(比如卵生和胎生),第二種就是自然發生 。無論哪種情況,他都認為不需要有超自然力量的干預。

亞里斯多德的學生泰奧弗拉斯托斯(Theophrastus)把興趣轉向了他的老師較少關注的植物方面。他在《植物史》(His tory of Plant)中說,植物的產生也可以分為兩類,比較大的木本植物通過種子而產生,而比較小的草本植物則可以自然產生。這樣,兩師徒就奠定了自然發生說的理論基礎。

《植物史》中說,植物的產生分為兩類,比較大的木本植物通過種子而產生,而比較小的草本植物則可以自然產生,圖/by Buntysmum@pixabay。

在往後的古典歲月中,自然發生說被廣泛地接受,不斷有科學家為之添磚加瓦。羅馬科學家兼作家老普林尼(Pliny the elder)在《自然史》(Narualis Historia)中提到,青蛙在淤泥中產生,活了幾個月後又重新變為泥土,循環不息。羅馬地理學家梅拉(Pomponius Mela)在介紹尼羅河的時候指出尼羅河的水是河裡所有生命之源 ,小至小魚、大至鱷魚,都是從水裡產生的。這些論斷根深蒂固,深入民心,許多文學家在其作品內都有這些自然發生說的描述,比如奧維德的《變形記》(Ovid Metamorphoses)就描述青蛙在泥裏產生。

基督教與自然發生說

公元 313 年是歐洲歷史上關鍵性的一年。這年羅馬皇帝君士坦丁一世頒發了米蘭敕令(Edict of Milan),宣布羅馬帝國承認基督教的合法地位。從此,基督教的發展一日千里,迅速成為羅馬帝國的主流宗教。

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基督教奉行上帝的創世說,從根本上看來,與亞里斯多德所堅持唯物主義範疇的自然發生說並不兼容。可是,生命能夠從非生命的物質中變出來的觀念已經流行了幾百年,而且自然發生是很多人都能夠「觀察」到的現象,成為「常識」,僅僅是上帝的權威並不足以否定自然發生說。另一方面,亞里斯多德在學術界的權威已經建立了幾百年 ,基督教的學者也把他的著作奉為經典,他的地球中心說在托勒密( Ptolemy)的完善下成為基督教不可動搖的核心理論之一。於是基督教不得不尋求一種中間道路去處理這個問題。

基督教奉行上帝的創世說,從根本上看來,與亞里斯多德所堅持唯物主義範疇的自然發生說並不兼容,圖/by GoranH@pixabay。

被基督教稱為神學之父的聖奧古斯丁(Saint Augustine, 354-430)首先注意到了這個不兼容。他的解決方案是從聖經中尋找相關線索。奧古斯丁身為神學權威當然不是浪得虛名, 他果然找到了證據:在創世紀 1:11 是「地要產生青草」(Let the land produce vegetation);創世紀 1:20 是「水要滋生活物」(L et the water teem with living creatures);創世紀 1:24 為「地要生出活物,各從其類」(Let the land produce living creatures according to their kinds)。這不就是自然發生說的鐵證嗎?

奧古斯丁向來主張不能機械地閱讀聖經,比如創世紀中說上帝在 6 天內創造了萬物,他就認為這個 6 天並不是一個時間概念,而是在邏輯 上的先後概念等等。在上帝創世方面,他認為上帝在創造生物的時候 ,並不是直接創造了生物,而是播下了生物的「種子」。 這些種子在合適的條件下,就能根據上帝定下的原則, 變為各種生物。這下,上帝創造論和自然發生說就變得兼容了。

在西羅馬帝國被滅之後,西歐進入了黑暗時代,希腊羅馬的璀璨文化全盤覆沒,基督教成為了西歐的壟斷性宗教。亞里斯多德的書籍也大量流失,在西歐,只剩下少數幾本拉丁文譯本。奧古斯丁對於自然發生說的解讀成為之後流傳 8 個世紀的關於生命起源的標準答案。

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聖奧古斯丁畫像,圖/by Los Angeles County Museum of Art: online database: entry 171584@wikipedia commons。

直到 13 世紀,亞里斯多德的著作才從阿拉伯流回西歐,並翻譯成為拉丁文。西歐的學者才再次有機會閱讀了亞里斯多德的著作。黑暗時代的終結再次帶出宗教界的殿堂級學者——意大利的聖阿奎那(Sain t Thomas Aquinas 1225-1274)。

阿奎那仔細閱讀了亞里斯多德的生物學著作之後,發現亞里斯多德列舉了兩種生物產生的模式,除了自然發生說之外,還有一種是由另外的生命所產生,強調生命的無始無終。而這種模式, 與奧古斯丁的理論是不兼容的。於是阿奎那給出了生命誕生的另一種 解釋。上帝在創世的時候,確實是創造了萬物(而不僅僅是種子)。 從那個時刻開始,萬物代代相傳。而且上帝還不時顯示他的神跡,不 斷創造出新的生命,這就是自然發生。

在阿奎那的詮釋下,上帝變成了無所不在,而不僅僅是「第一推動力」。這一說法當然更能迎合基督教對於上帝的膜拜。於是阿奎那的解 釋取代奧古斯丁的解釋,成為基督教關於生命起源的標准答案。 阿奎那的解釋,貌似調和了亞裡斯多德和基督教的矛盾,事實上卻是偷偷地把亞里斯多德的唯物論轉頭換臉成為上帝的功績,實在是與亞里斯多德的原意大相徑庭。

黑暗時代的終結再次帶出宗教界的大牛人——意大利的聖阿奎那,圖/from The Demidoff Altarpiece

不管怎樣,從奧古斯丁到阿奎那,絕大部分基督教學者並不質疑過自然發生說。反而在阿奎那之後,為了顯示神跡, 對於自然發生的描述更是有增無減。這與更後來的基督教學者反對自然發生說的態度可謂兩個極端(以後的文章會有更詳盡的討論)。

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不過隨著近兩千年的觀測,自然發生的範圍對比亞里斯多德時代早已慢慢縮窄了。大動物的自然發生被認為是不可能或者極為罕見的,只 有小動物如昆蟲和老鼠才能經常被觀察到「自然發生」。畢竟神跡不可能輕易被發覺,如果隨處可見也就不配稱為神跡了。

就這樣,時間流淌進入了 17 世紀。由於幾個科學巨人的出現,自然發生說才面臨真正的挑戰。

參考資料:

  • Things come to life : spontaneous generation revisited 2002, Henry Harris
  • Sparks of life : Darwinism and the Victorian debates over spontaneous generation 2000, James Edgar Strick.
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活躍星系核_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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快速通道與無盡地界:科幻作品裡的黑洞——《超次元.聖戰.多重宇宙》
2046出版
・2024/02/08 ・4430字 ・閱讀時間約 9 分鐘

星際捷徑

一個無底深淵怎能成為星際飛行的捷徑呢?原來按照愛因斯坦的理論,黑洞是一個時空曲率趨於無限大——也就是說,時空本身已「閉合」起來的區域。但往後的計算顯示,若收縮的星體質量足夠大的話,時空在閉合到某一程度之後,會有重新開敞的可能,而被吸入的物體,將可以重現於宇宙之中。只是,這個「宇宙」已不再是我們原先出發的宇宙,而是另一個宇宙、另一個時空(姑毋論這是甚麼意思)。按照這一推論,黑洞的存在,可能形成一條時空的甬道(稱為「愛因斯坦-羅森橋接」),將兩個本來互不相干的宇宙連接起來。

這種匪夷所思的推論固然可以成為極佳的科幻素材,但對於克服在我們這個宇宙中的星際距離,則似乎幫助不大。然而,一些科學家指出,愛因斯坦所謂的另一個宇宙,很可能只是這一宇宙之內的別的區域。如果是的話,太空船便可由太空的某處飛進一個黑洞之內,然後在遠處的一個「白洞」(white hole)那兒走出來,其間無須經歷遙遠的星際距離。把黑洞和白洞連結起來的時空甬道,人們形象地稱之為「蛆洞」、「蛀洞」或「蟲洞」(wormhole)。

科幻作品裡常以穿越蟲洞作為星際旅行的快速通道。圖/envato

「蛆洞」是否標誌著未來星際旅行的「捷徑」呢?不少科幻創作正以此為題材。其中最著名的,是《星艦奇航記》第三輯《太空站深空 9 號》(Deep Space Nine, 1993-1999),在劇集裡,人類發現了一個遠古外星文明遺留下來的「蛆洞」,於是在旁邊建起了一個龐大的星際補給站,成為了星際航運的聚散地,而眾多精彩的故事便在這個太空站內展開。

我方才說「最著名」,其實只限於《星艦》迷而言。對於普羅大眾,對於「蛆洞」作為星際航行手段的認識,大多數來自二○一四年的電影《星際效應》(Interstellar,港譯:《星際啟示錄》),其間人類不但透過蛆洞去到宇宙深處尋找「地球 2.0」(因為地球環境已大幅崩壞),男主角更穿越時空回到過去,目睹多年前與年幼女兒生離死別的一幕。電影中既有大膽的科學想像,也有感人的父女之情,打動了不少觀眾。大家可能有所不知的是,導演基斯杜化.諾蘭(Christopher Nolan, 1970-)邀請了知名的黑洞物理學基普.索恩(Kip Thorne, 1940-)作顧問,所以其中所展示的壯觀黑洞景象,可不是憑空杜撰而是有科學根據的呢!

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星際效應裡的黑洞景象。圖/wikimedia

那麼蛆洞是否就是人類進行星際探險的寄託所在呢?

然而事情並非這麼簡單。我們不要忘記,黑洞的周圍是一個十分強大的引力場,而且越接近黑洞,引力的強度越大,以至任何物體在靠近它時,較為接近黑洞的一端所感受到的引力,與較為遠離黑洞的一端所感受到的,將有很大的差別。這種引力的差別形成了一股強大之極的「潮汐張力」(tidal strain),足以把最堅固的太空船(不要說在內的船員)也撕得粉碎。

潮汐張力的危險不獨限於黑洞,方才提及的中子星,其附近亦有很強的潮汐力。 拉瑞.尼文(Larry Niven, 1938-,港譯:拉利.尼雲)於一九六六年所寫的短篇〈中子星〉(Neutron Star),正以這一危險作為故事的題材。

尤有甚者,即使太空船能抵受極大的潮汐力,在黑洞的中央是一個時空曲率趨於無限,因此引力也趨於無限的時空「奇點」(singularity)。太空船未從白洞重現於正常的時空,必已在「奇點」之上撞得粉碎,星際旅程於是變了死亡旅程。

然而,往後的研究顯示,以上的描述只適用於一個靜止的、沒有旋轉的黑洞,亦即「史瓦西解」所描述的黑洞。可是在宇宙的眾多天體中,絕大部分都具有自轉。按此推論,一般黑洞也應具有旋轉運動才是。要照顧到黑洞自旋的「場方程解」,可比單是描述靜止黑洞的史瓦西解複雜得多。直至一九六三年,透過了紐西蘭數學家羅伊・卡爾(Roy Kerr, 1934-)的突破性工作,人類才首次得以窺探一個旋轉黑洞周圍的時空幾何特性。

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圖/envato

旋轉的黑洞

科學家對「卡爾解」(The Kerr solution)的研究越深入,發現令人驚異的時空特性也越多。其中一點最重要的是:黑洞中的奇點不是一個點,而是一個環狀的區域。即只要我們避免從赤道的平面進入黑洞,理論上我們可以毋須遇上無限大的時空曲率,便可穿越黑洞而從它的「另一端」走出來。

不用說,旋轉黑洞(也就是說,自然界中大部分的黑洞)立即成為科幻小說作家的最新寵兒。

一九七五年,喬.哈德曼(Joe Haldeman,1943-)在他的得獎作品《永無休止的戰爭》(The Forever War, 1974)之中,正利用了快速旋轉的黑洞(在書中稱為「塌陷體」——collapsar)作用星際飛行——以及星際戰爭得以體現的途徑。

由於黑洞在宇宙中的分佈未必最方便於人類的星際探險計劃,一位科學作家阿德里安.倍里(Adrian Berry,1937-2016)更突發奇想,在他那充滿想像的科普著作《鐵的太陽》(The Iron Sun, 1977)之中,提出了由人工製造黑洞以作為星際轉運站的大膽構思。

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要特別提出的一點是,飛越旋轉黑洞雖可避免在奇點上撞得粉碎,卻並不表示太空船及船上的人無須抵受極強大的潮汐力。如何能確保船及船員在黑洞之旅中安然無恙,是大部分作家都只有輕輕略過的一項難題。

此外,按照理論顯示,即使太空船能安然穿越黑洞,出來後所處的宇宙,將不是我們原先出發的那個宇宙;而就算是同一個宇宙,也很可能處於遙遠的過去或未來的某一刻。要使這種旅程成為可靠的星際飛行手段,科幻作家唯有假設人類未來對黑洞的認識甚至駕馭,必已達到一個我們今天無法想像的水平。

然而,除了作為星際飛行途徑,黑洞本身也是一個怪異得可以的地方,因此也是一個很好的科幻素材。黑洞周圍最奇妙的一個時空特徵,就是任何事物——包括光線——都會「一進不返」的一道分界線,科學家稱之為「事件穹界」(event horizon)。這個穹界(實則是一個立體的界面),正是由當年史瓦西計算出來的「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius)所決定。例如太陽的穹界半徑是三公里,也就是說,假若一天太陽能收縮成一個半徑小於三公里的天體,它將成為一個黑洞而在宇宙中消失。「穹界」的意思就是時空到了這一界面便有如到了盡頭,凝頓不變了。

圖/envato

簡單地說,穹界半徑就是物體在落入黑洞時的速度已達於光速,而相對論性的「時間延長效應」(time dilation effect)則達到無限大。對太空船上的人來說,穿越界面的時間只是極短的頃刻,但對於一個遠離黑洞的觀測者,他所看到的卻是:太空船越接近界面,船上的時間變得越慢。

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而在太空船抵達界面時,時間已完全停頓下來。換句話說,相對於外界的人而言,太空船穿越界面將需要無限長的時間!

無限延長的痛苦

了解到這一點,我們便可領略波爾.安德遜(Poul Anderson, 1926-2001)的短篇〈凱利〉(Kyrie, 1968)背後的意念。故事描述一艘太空船不慎掉進一個黑洞,船上的人自是全部罹難。但對於另一艘船上擁有心靈感應能力的一個外星人來說,情況卻有所不同。理由是她有一個同樣擁有心靈感應能力的妹妹在船上,而遇難前兩人一直保持心靈溝通。由於黑洞的特性令遇難的一剎(太空船穿越穹界的一剎)等於外間的永恆,所以這個生還的外星人,畢生仍可在腦海中聽到她妹妹遇難時的慘叫聲。

安德遜這個故事寫於一九六八年,可說是以黑洞為創作題材的一個最早嘗試。

短篇〈凱利〉便是利用黑洞的特性——遇難的一剎等於外間的永恆——使生還者感受無盡的痛苦。圖/envato

太空船在穹界因時間停頓而變得靜止不動這一情況在阿爾迪斯一九七六年寫的《夜裡的黑暗靈魂》(The Dark Soul of the Night)中,亦有頗為形象的描寫。恆星的引力崩塌,在羅伯特.史弗堡(Robert Silverberg)的《前往黑暗之星》(To the Dark Star, 1968)之中卻帶來另一種(雖然是假想的)危險。故事中的主人翁透過遙感裝置「親身」體驗一顆恆星引力塌陷的過程,卻發覺時空的扭曲原來可以使人的精神陷於瘋狂甚至崩潰的境地。

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以穹界的時間延長效應為題材的長篇小說,首推弗雷德里克.波爾(Frederik Pohl, 1919-2013)的得獎作品《通道》(Gateway, 1977),故事描述人類在小行星帶發現了由一族科技極高超的外星人遺留下來的探星基地。基地內有很多完全自動導航的太空船,人類可以乘坐這些太空船穿越「時空甬道」抵達其他的基地,並在這些基地帶回很多珍貴的,因此也可以令發現者致富的超級科技發明。

故事的男主角正是追尋這些寶藏的冒險者之一。他和愛人和好友共乘一艘外星人的太空船出發尋寶,卻不慎誤闖一顆黑洞的範圍。後來他雖逃脫,愛人和好友卻掉進黑洞之中。但由於黑洞穹界的時間延長效應,對於男主角來說,他的愛人和好友永遠也在受著死亡那一刻的痛苦,而他也不歇地受著內疚與自責的煎熬。

故事的內容由男主角接受心理治療時逐步帶出。而特別之處,在於進行心理治療的醫生不是一個人,而是一副擁有接近人類智慧的電腦。全書雖是一幕幕的人機對話,描寫卻是細膩真摯、深刻感人,實在是一部令人難以忘懷的佳作。

圖/envato

由於這篇小說的成功,波氏繼後還寫了兩本續集:《藍色事件穹界以外》(Beyond the Blue Event Horizon, 1980)及《希徹會晤》(Heechee Rendezvous, 1984)。而且兩本都能保持很高的水準。

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時間延長效應並非一定帶來悲劇。在先前提及的《永無休止的戰爭》的結尾,女主角正是以近光速飛行(而不是飛近黑洞)的時間延長效應,等候她的愛侶遠征歸來,為全書帶來了令人驚喜而又感人的大團圓結局。

七○年代末的黑洞熱潮,令迪士尼(Walt Disney)的第一部科幻電影製作亦以此為題材。在一九七九年攝製的電影《黑洞》(The Black Hole)之中,太空船「帕魯明諾號」在一次意外中迷航,卻無意中發現了失蹤已久的「天鵝號」太空船。由於「天鵝號」環繞著一個黑洞運行,船上的人因時間延長效應而衰老得很慢。這艘船的船長是一個憤世疾俗的怪人,他的失蹤其實是故意遠離塵世。最後,他情願把船撞向黑洞也不願重返文明。

比起史提芬.史匹堡(Steven Spielberg, 1946-)的科幻電影,這部《黑洞》雖然投資浩大,拍來卻是平淡乏味,成績頗為令人失望。除了電影外,科幻作家艾倫.迪安.霍斯特(Alan Dean Foster, 1946-)亦根據劇本寫成的一本同名的小說。

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——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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