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霍金和黑洞:霍金一生的追尋讓我們知道了哪些事?

賴昭正_96
・2018/05/25 ・6723字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

「我曾認為資訊將在黑洞中被銷毀,這是我最大的錯誤──至少是我在科學上的最大錯誤。」

──史蒂芬 ‧ 霍金

source:Lwp Kommunikáció @Flickr

 早在 1783 年英國的天文學家教士米歇爾(John Michell)就透過簡單計算(見本文末之「脫離地球的臨界速度」)說道:如果某些天體的密度與太陽一樣,但其直徑超過太陽的 500 倍,則物體需具超過光速才能脫逃其表面。1796 年拉布拉斯(Pierre-Simon LaPlace)也獨立地預測巨大發光體可能因為這一關係,而變成了我們看不見的「暗星」。

天文學家曾經非常高興可能偵測到此一不放光、但可透過重力影響其他附近星球的巨大物體。但到了 19 世紀初期,科學家漸漸了解到光是一種波動,因而懷疑其會受重力的影響,而漸漸淡忘了此一種大物體存在的可能性。

一個位於銀河系中心的黑洞。 圖/NASA

連光也逃不走的「黑洞」

1915 年愛因斯坦發表了時空會因重力而變形的普遍相對論(general theory of relativity)。11 月,自願從軍、在蘇俄前線負責計算砲彈軌跡之德國天文物學家蘇瓦玆德(Karl Schwarzschild)大概是太無聊了,在讀完了愛因斯坦的論文後,竟然將它應用到只有一個不旋轉之星球的宇宙上,用他的特別坐標體系,精確地解出愛因斯坦的重力場方程式1

德國天文物學家蘇瓦玆德。 圖/wikipedia

他 12 月 11 日寫信給愛因斯坦說:

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「儘管在猛烈的烽火下,這戰爭(第一次世界大戰)對我還是蠻寬厚的:它讓我能夠遠離一切,並且馳騁在你的見解上。」

愛因斯坦回信道:

「我對你的論文非常感興趣,我從沒想到可以這麼簡單精確地解決這一個問題。我非常喜歡你對這一題目的數學處理。下星期四我將稍加解釋地將你的論文介紹給(普魯士)科學院。」

蘇瓦玆德在該論文裡發現,宇宙中的所有星球將因為重力的關係,內縮崩潰到密度為無窮大的一中心點:重力場方程式在該處是無解 ( 像”2÷0”)。蘇瓦玆德及愛因斯坦都不相信這樣的星球可能存在,他們認為那只是數學上的奇異點(singularity);在星球縮小到這點之前一定會有我們現在尚不清楚之物理發生。

除了中心點外,在現在稱為「蘇瓦玆德半徑」(Schwarzschild radius)

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Rs=2 GM/c2

之處(式中 M 為星球質量G 為重力常數,c 為光速)也出現無解;物理學家對其物理意義以及是否會在自然界中出現爭辯了幾十年。1958 年美國物理學家分克斯坦(David Finkelstein)終於了解到了該半徑球面代表「事件地平線」(event horizon):任何掉進去的物體⎯⎯包括光⎯⎯再也永遠跑不出來了!因為連光線都跑不出來,,故由外界看視將永遠只是一個黑球。

1967 年,聽說在一位學生的建議下,理論物理學家惠洛(John Wheeler)開始採用「黑洞」(black hole)這一後來被廣泛採用的名詞。

恆星的命運:在漆黑宇宙中隱身

雖然早在 1783 年天文學家就已經在銀河系內發現散射微弱白光之星球,但到了 20 世紀初他們才摸清我們之所以只看到微光,是因為它們體積很小又遠的關係。事實上這些星球是很重的(其密度高到非常難以令人相信),且其表面溫度也可能高到 100,000 度──因此之後被稱為白矮星(white dwarf)。1926 年英國劍橋大學教授福勒(Ralph H. Fowler)率先用當時漸趨成熟之量子力學來解釋:這些星球在融核燃料用盡後,因重力的關係而繼續其內縮崩潰,壓縮電子可存在的空間,但因為包利不相容原則(Pauli exclusion principle2),這些電子便群起反抗,產生電子簡併壓力(electron degeneracy pressure),阻止了內縮崩潰而達到了一個平衡狀態的白矮星3

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1931 年,利用印度政府獎學金到劍橋大學留學的 19 歲千桌沙卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,亦譯作錢德拉塞卡)將電子質量因運動而變重的相對論效應考慮進去,預測了如果星球的質量小於太陽的 1.44 倍(現在稱為千桌沙卡界限,Chandrasekhar limit4),那麼白矮星便是該星球不可避免的命運。福勒與千桌沙卡師徒兩人因在這方面的貢獻而獲得 1983 年諾貝爾物理獎。

圖/LoganArt @Pixabay

白矮星內部因不再進行核融反應製造能量,其溫度將慢慢降低而由白轉棕,變成棕矮星(brown dwarf),最後變成黑矮星(black dwarf)而在漆黑的天空中失跡(是我們將看不見、而不是真正的消失)。如果星球的重量大於 1.44 倍太陽的質量呢?那重力將大於電子簡併壓力,使得星球繼續內縮崩潰,將電子及質子壓成中子。因中子也像電子一樣,須服從包利不相容原則,故繼續壓縮的結果將產生中子簡併壓力來反抗重力。如果星球的質量大約只有太陽質量的 2∼3 倍,則重力及中子簡併壓力將達到一個平衡形成中子星(neutron star)。如果星球的質量更大呢?那就沒有什麼我們現在已知之物理能阻止它繼續壓縮成黑洞!

該如何發現黑洞?

當壓縮到事件地平線後,因為任何資訊都沒有辦法從裡面跑出來,對外界的我們來說,這個星球等於從此從宇宙中消失,只在宇宙空間中留下了一個半徑為蘇瓦玆德半徑的圓球黑洞;任何掉進去裡面的物體均將如石沉大海,也沒有外人能知道它到底怎麼了!

事實上依據普遍相對論,時間在重力場下將變慢(重力場越強,時間越慢),因此歐本海默(J. Robert Oppenheimer)及學生史納德(Hartland Snyder)1939 年時在美國發表了一篇論文,講述對一個站在蘇瓦玆德半徑外的人來說,星球的內陷好像在蘇瓦玆德半徑處停住了,需要無限長的時間才能通過,而一個隨它內陷的人(或者任何掉進去的東西)將好像永遠處出於自由落體的狀態。所以許多天文學家均認為,小於蘇瓦玆德半徑的黑洞在宇宙誕生時就必須發生,並稱之原始黑洞(primordial black hole)。有趣的是:愛因斯坦當年也在德國發表了一篇論文,證明黑洞是不可能存在的!

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電影《星際效應》中的黑洞影像。圖/IMDb

在許多的科幻小說裡,黑洞常被形容成一個宇宙的清道夫:吞噬所有周遭的一切東西──包括星球。但事實上黑洞只像是一個看不見的微小太陽(如果太陽能內陷成黑洞,其蘇瓦玆德半徑大約只有 3 公里),只是重力吸引力強大多了而已。只要不跑進事件地平線內,任何物體都可以在其外面流蕩或像地球繞日一樣運轉的。但是因為完全看不見,所以我們只能「間接地」證明黑洞的存在。

現在天文學家都認為 1972 年在天鵝座(Cygnus the Swan)所發現之極強 X光光源是某一個黑洞造成的。霍金於 1974 年與加州理工學院的索恩(Kip Thorne,因發現重力波而獲 2017 年諾貝爾物理獎)賭那現稱為 Cygnus X-1(天鵝座 x-1,離地球約 6000 光年)的光源不是一個黑洞;1990 年在許多新資料的支持下,他終於認輸了。雖然「已經知道」的黑洞大約只有 50 個,但天文學家估計整個宇宙可能有上千萬的黑洞;星系(galaxy)中心也都可能有超級質量黑洞(supermassive black hole,太陽質量的百萬倍)存在。

天鵝座 x-1 的影像與想像圖。左圖紅色方框中的白點就是天鵝座 x-1 ,右圖則是根據科學家的研究所描繪的天鵝座 x-1 黑洞運作狀態。天鵝座 x-1 已被證實為黑洞,並持續將周邊物質拉入其中。圖/NASA

2015 年 9 月 14 日,雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO, laser interferometer gravitational wave observatory)所偵測到的重力波5不但被認為是黑洞相撞而產生的,也被認為是首次「直接」觀測到黑洞存在的證據:因為用黑洞特性模擬出來的數據,最符合實驗觀測到的結果。觀測站科學家們(1012位團隊成員6)估計那兩顆黑洞的質量分別約為太陽的 29 倍及 36 倍,相撞時所放出的能量大約為所有宇宙恆星所放出之能量的十倍!

在「愛因斯坦的最大錯誤──宇宙論常數」一文裡7,筆者提到了早在 30 年代,就有天文學家從星群的運動中,懷疑到宇宙中尚存在有其它看不到的「暗物體」(dark matter)!科學家也像世俗人一樣喜歡追風隨俗,一旦有人提出「暗物體」,其存在的證據便開始排山倒海地出現,只是到現在除了知道這些「暗物體」是看不見及具有重力作用外,尚沒有人知道它們到底是什麼「東西」!據估計,這些暗物體大約為宇宙中可見物體的五倍!黑洞不是也看不見且具有重力作用嗎?黑洞可能就是「暗物體」嗎?「暗物體」是在宇宙生成時就產生的,因此已有科學家懷疑它們可能正是「原始黑洞」──在一些合理的假設下,「原始黑洞」群的相撞也可符合偵測到之重力波的數據!

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黑洞其實沒那麼黑:霍金輻射

英國劍橋大學教授霍金(Stephen Hawking)。source:Flickr

黑洞雖然不是一個宇宙的清道夫,但它真的是一個只進不出的垃圾桶嗎?1974 年,英國劍橋大學教授霍金(Stephen Hawking)將普遍相對論的時空彎曲現象用到量子場論(quantum field theory)內,竟然發現了一震驚整個理論物理學界的結論:「黑洞並不是如我們所描畫的那麼黑」,而是不停的在輻射能量!

重力場論(普遍相對論)及量子場論(量子力學)是近代物理的兩大成就;但前者似乎僅適用於巨觀世界,而後者則僅適用於微觀世界。這對於不相信上帝是會那麼笨手笨腳的物理學家來說,簡直是一個侮辱,因此統合它們是近代物理的一大目標。霍金是第一位將它們在宇宙論裡結合的物理學家,因此許多人認為他是愛因斯坦以後最偉大的天才8

黑洞(中)在大麥哲倫星雲前面的假想模擬圖。請注意重力透鏡的影響,產生了放大的,但高度扭曲的星雲的兩個影像。在頂部的銀河系盤面扭曲成一個弧形。 圖/Alain r [CC BY-SA 2.5] via wikipedia

在近代物理裡,真空已不再是真的什麼都沒有9。依量子力學之測不準原理,真空事實上是不停地在產生成對的粒子及反粒子⎯⎯但它們又立即結合互毀將能量還給真空⎯⎯的場所。如果產生於事件地平線附近的反粒子掉進去了黑洞,那它便無法再與粒子相結合,粒子將帶能量往反方向跑掉:羊毛出在羊身上,這些能量當然只好由黑洞提供。霍金計算發現這些能量的分佈正如熱物體之黑體輻射,其溫度與黑洞質量成反比,我們現在稱此一黑洞輻射為「霍金輻射」(Hawking radiation)。

所以原則上黑洞是會因霍金輻射而蒸發掉的;但因太陽大小之黑洞的霍金溫度大約只有 10-7 °K,而宇宙背景的溫度為 3°K,所以一般的黑洞還是會淨賺(吸熱比放熱多)而越來越大的;只有在宇宙剛生成就存在的原始黑洞(只原子一般的大小)才會迅速地蒸發掉。霍金曾希望還有一些原始黑洞在宇宙中流浪;如被發現,他說「(我)將可獲得一個諾貝爾獎」;另外一個或許能發現原子般大小的黑洞的地方是歐洲的強子對撞機(Large Hardron Collider)內。霍金於今年 3 月 14 號不幸逝世⎯⎯將與牛頓、達爾文等一代科學宗師一樣,葬在英國君主安葬或加冕登基之西敏寺。因諾貝爾獎是不發給在天堂之人,他的諾貝爾獎是無望了,我們只能在此為他扼腕。

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黑洞資訊悖論

雖然黑洞因現在之宇宙條件可以暫保生命,但原則上它們遲早都要蒸發掉的:這將造成一個現在被稱為「黑洞資訊」遺失的「悖論」(black hole information paradox)。量子力學雖然「推翻」(嚴格來說應該是「修正」)了古典的因果論,但它還是像古典力學一樣具有時間的對稱性10:分不出過去與將來,因此資訊是不滅的。比如讀者將筆者之兩本巨著《量子的故事》及《我愛科學》燒成灰,原則上我們還是可以循原來之軌跡,重新尋回那兩本書之內容的!──顯然那兩本書的灰是不一樣的,它們還保持著原來之資訊。可是如果灰是一樣呢?那兩本書的資訊顯然在燃燒的過程中丟失了,我們再也回不去了!

霍金雖然證明了黑洞不是全黑,但他卻也證明了天下的「烏鴉」一般黑,因此只要看到一隻烏鴉就等於看到了全部的烏鴉:只要質量、旋轉及電量相同,不管黑洞當初是由什麼東西造成或組成的,最後總是變成同樣的輻射(蒸發掉) 。

source:Wikimedia

又如筆者在「愛因斯坦的最後一搏── EPR 悖論11一文裡所談的:兩個粒子相互作用後便永遠糾纏在一起,形成了一個量子體系(不管他們分開多遠或者多久),因此當我們去量左邊粒子之位置時,右邊的粒子也將立即受到影響崩潰到一固定位置。可是如果其中一個粒子不幸掉進去了黑洞,從此便與外界隔絕,即使黑洞蒸發而完全消失也無法回收其原來資訊,那「量子糾纏態」顯然應該不覆存在了──但這與實驗結果不符!這「量子糾纏態」事實上就在黑洞之事件地平線附近不停地產生霍金輻射的來源。

這資訊在黑洞中永遠遺失的理論違反了基本物理,因此自霍金 1981 年提出後便爭辯不休。好賭的霍金(這次與蘇爾內站在同一線)終於在 1997 年與加州理工學院的另一位教授布利斯基(John Preskill)打了個賭;後者認為正確的重力量子理論出現後,一定可以解釋資訊不會被銷毀的。2004 年,霍金提出事件地平線應會因波動(fluctuate)而泄露出資訊,承認他打賭輸了,如約地買了一本棒球百科全書給布利斯基(霍金說他很想將該書燒成灰以後再給布利斯基──反正所有的資訊都還在那裡)。

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現在有關資訊如何可以不遺失的理論可以說是如雨後春筍、俯拾皆是:其中一個說法是因所有事件均在蘇瓦玆德半徑處停住了,因此資訊並沒有遺失,而是保留在地平線表面處;還有一個說法則是資訊將透過時空隧道跑到另一個黑洞去(看來喜歡科幻小說的讀者是有福了)!事實上光霍金本人就有好幾個版本:最後一個版本是於 2016 年元月出現的12

掉進黑洞總是有辦法出去的

此文是有感於霍金之突然辭世而寫。事實上除了科學外,更讓筆者敬佩的是他對生命的熱愛與執著。霍金曾說:

「如果你覺得掉進黑洞裡,(請)不要放棄,總有辦法出去的。」

筆者覺得那是雙關語,除了闡釋黑洞的特性外,可能更是他生活的寫照,以及給世人的鼓舞:遇到挫折不要輕言放棄!

霍金 21 歲時就被診斷出患有慢性運動神經元病(motor neuron disease),醫生說大概只有兩年可活!43 歲時感染了肺炎,不但完全奪去了他說話的能力,還需 24 小時的醫療照顧。後輩子全是靠坐輪椅及透過電腦說話,不但寫了一本全世界最暢銷的科普書「時間簡史」(A Brief History of Time,1988,第二版,2005),還到處演講寫作,成為愛因斯坦之後之另一位家喻戶曉的科學家。

圖/《時間簡史》書影

至於黑洞此後的前途如何,筆者實在也不清楚!在此,我們不妨以加州大學洛杉磯分校天文學教授蓋芝(Andrea Ghez)的一段話來做結束:

「我以為我當初所提出的問題是非常簡單的,那僅是問:『銀河系的中心有沒有巨質的黑洞?』但我之所以喜歡科學的原因之一是:你最終將永遠碰到新的問題。」

註解:

  • [1]:愛因斯坦自己只能做近似解。
  • [2]:「原子的構造」,科學月刊,2010 年 3 月號;「我愛科學」,第 95 頁。
  • [3]:事實上在崩潰成白矮星之前,他們的質量都更大,因此在核燃料用盡之後,極速的重力內陷將使溫度劇增而導致爆炸,將外圍的物質散射到宇宙中(宇宙中重元素的來源),僅留下中心部分繼續內陷收縮。
  • [4]:千桌沙卡的這一「界限」曾被普遍相對論大師、讓愛因斯坦一夜成名之愛丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)於 1935 年在倫敦皇家天文學社裡公開取笑。千桌沙卡曾經多次表示那是基於種族歧視之故;因此他不喜歡英國,於 1937 年元月移民到美國,終其一生任教於芝加哥大學。
  • [5]「愛因斯坦其實沒那麼神」,泛科學,2016/3/16;「我愛科學」,第 172 頁。
  • [6]「諾貝爾獎和那些被賣掉的獎牌:科學研究背後的名與利」泛科學,2017/12/3。
  • [7]「愛因斯坦的最大錯誤?──宇宙論常數」,科學月刊,2011 年 12 月號;泛科學,2011/12/11;「我愛科學」,第 162 頁。
  • [8]霍金說那全是「報紙的吹噓」過了頭。1990 年他告訴洛杉磯時報謂:「我符合一位傷殘天才的部分:我至少是傷殘⎯⎯雖然我不是像愛因斯坦一樣天才….. 群眾需要英雄,他們將他捧成一位英雄,現在則將我捧成一位英雄⎯⎯雖然我的條件差得遠。」
  • [9]「以太存在與否的爭辯」,科學月刊,2017 年 5 月號;「我愛科學」,第77頁。
  • [10]「對稱與物理」,科學月刊,2010 年 3 月號;「我愛科學」,第 178 頁。「時間的方向性」,科學月刊,2016 年 2 月號;「我愛科學」,第 200 頁。
  • [11]「愛因斯坦的最後一搏── EPR 悖論」,科學月刊,2016 年 5 月號;「我愛科學」,第 72 頁。
  • [12]霍金認為他這次的理論可以實驗證明的,因此如果他的預測對了,他將可得一個諾貝爾獎。如果讀者也想得一個諾貝爾獎,顯然這是一片等待開發的肥沃土地。

參考資料:

  • 《近代宇宙中的空間與時間》,新竹市國興出版社(1981 年)。
  • 我愛科學》,台北市華騰文化有限公司出版(2017 年 12 月)。本書收集了筆者自 1970 年元月到 2017 年八月間在科學月刊及其他雜誌發表過的文章。

  • 可點擊看詳細內容。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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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

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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你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

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雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

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那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

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至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

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在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

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但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

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在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

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只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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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

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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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