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星際效應 – 蟲洞、黑洞、時空旅行

黑洞、蟲洞、時光旅行、超時空跳躍一直是科幻題材中相當熱門也不可或缺的元素。這不難理解當我們的太空科技已能企及太陽系內時,面對數光年外的下一個銀河,我們需要一些能幫人類突破光速的方式,才能讓太空旅行或探險能往更遙遠的目標前進。

而在近期相關的電影中,筆者日前有幸參加了《星際效應》(Interstellar)的電影試映會(炫耀無誤),這部電影中描述人類為尋求新的生存地點,而以穿越「蟲洞」的方式,來達成跨銀河的星際旅行。而為了能更正確描述穿越蟲洞的情節,製作團隊特地請了加州理工學院的理論物理學家Kip Thorne擔任電影執行監製。Thorne教授是今日世界上研究重力、宇宙學、廣義相對論的權威,他以廣義相對論為基礎來架構穿越蟲洞的景象、環繞黑洞與重力所造成的雙生悖論、讓科學理論能與電影工藝結合,讓事實的呈現,能比虛構更加讓人覺得離奇驚豔。

根據預告片(所以應該不會爆雷)的可公開情報中,這部電影是描述在不久的將來,地球由於嚴重的氣候變遷導致糧食短缺而越來越不利於人類生存。因此科學家企圖通過蟲洞,在未知的另一個銀河中尋找適宜人類居住的新世界。因此,已推出近百年的蟲洞理論,則是這部電影中最關鍵的基礎論點,而為什麼會產生蟲洞,這就要追溯到一個天文上的重要天體:黑洞。

黑洞是恆星老化後的結局之一。恆星在生命週期內會透過不斷的核融合反應來放出光熱與膨脹。而當恆星演化到末期,不再具有可供持續核融合反應的燃料時,便會因自身的龐大重力而塌縮。若是塌縮後的星體質量仍大於太陽質量的3倍時,此時連中子簡併壓力也無法抵抗重力,星體將繼續塌縮至史瓦西半徑(Schwarzchild raduis)之內,此時的龐大引力能將一切粒子吸住,連光線也無法逃脫,成為宇宙中最黑暗的角落。

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“Black hole lensing web" by Urbane Legend (optimised for web use by Alain)
黑洞的重力透鏡效應,可看出星系背景扭曲的現象。

但科學史上一個有趣的現象是,黑洞在1970年代後,陸續透過重力透鏡等方式觀察到,但黑洞的理論,卻在18世紀末就已被提出。而1916年廣義相對論的引力方程式,更預估了兩種奇點的精確解,一個是引力極大能將一切物質能量吸引的黑洞,另一個則是完全相反能將物質與能量不斷向外輻射的「白洞」,但目前尚未有觀察到白洞可能存在的證據,也欠缺關鍵理論的重要突破。而連接著存在於不同時空的黑洞與白洞之間的隧道,就稱為蟲洞。但對於蟲洞理論的研究不僅於大型天體的研究,1988年Michael S. Morris在普朗克尺度(10-35m)的研究中,描述了次原子量子泡沫(quantum foam)中,時空不再是平滑連續的,空間中任意位置會有能量起伏的短暫變化,在這裡所產生的蟲洞可以連結不同的時空,如果能將這些量子泡沫裡的蟲洞捕捉、放大與維持,或許就是個穿越時空的新方式了!?然而,歷經百年來的研究,蟲洞仍是一個僅存在理論上,但尚未有機會觀測到的現象….

再隨著量子糾纏理論的發展,科學家發現,糾纏的兩顆粒子間,只要改變其中一顆的狀態,另一顆也會跟著改變的關聯作用,這樣的關聯不受介質距離影響可瞬時改變,似乎也是一種蟲洞的概念,目前實驗結果發現這樣關聯作用的速度比光速至少快一萬倍(註1)。由此發展的一些新理論如全像原理(holographic principle),更試圖去呼應過去理論物理學認為重力存在於第五維,而第五維的事件可以變化影響由時間空間組成的四維空間,如將時空扭曲變形,並試圖將重力的物理性質歸因於量子糾纏的現象(註2)。

另一個有趣的科學家小故事,是這部電影執行監製Kip Thorne教授除了是研究宇宙學的權威外,他的導師John Archibald Wheeler更是「黑洞」一詞的創始者、在核分裂、統一場論、相對論、量子理論與物理教育上有卓越的貢獻,是哥本哈根時代最後的巨匠。或許是融入了偉大科學家的踏實與遠見,在這部科幻電影中,不太見到過於炫麗而充滿想像的黑科技。取而代之的,是不太遙遠且可預期的科學發展,以及不太遙遠也可預期的氣候變遷災害。

蟲洞研究年表

1783 英國天文學家John Michell提出光無法逃逸的緻密天體想法(註3)
1796 法國物理學家Pierre Simon Laplace根據牛頓萬有引力,預言出光無法逃離的黑洞半徑。(註4)
1916 Albert Einstein發表廣義相對論,德國天文學家Karl Schwarzschild以此算出黑洞的重力描述,同時預言白洞的存在
1916 奧地利物理學家Ludwig Flamm提出蟲洞(灰道)概念(註5)
1935 愛因斯坦及美國物理學家Nathan Rosen利用引力方程式解出「愛因斯坦—羅森橋」,認為蟲洞可以做時空跳躍
1939 美國物理學家Oppenheimer等人提出TOV limit,若中子星質量超過一定上限則會因自身重力塌縮為黑洞
1970s 開始觀測到黑洞(註6)
1974 英國物理學家Stephen Hawking提出量子黑洞(quantum mechanical black holes)
1988 美國物理學家Michael S. Morris等人描述了在量子泡沫中所產生的連接不同時空的蟲洞(註7)
1996 美國物理學家Bombaci將TOV limit上修為1.5-3倍太陽質量(註8)
2000s CERN科學家計畫利用LHC製造量子黑洞(註9 10)
2011 有研究認為與大霹靂的起源就是一個白洞(註11)
2013 科學家利用量子糾纏理論製造出微觀尺度的蟲洞(註12)
20xx 「星際效應」中,科學家發現蟲洞出現在太陽系內?
21xx 「星際效應」中,人類穿越蟲洞,發現可能適宜人類居住的新世界……?

 

參考資料:

  1. Yin, Juan, et al. “Bounding the speed ofspooky action at a distance’."arXiv preprint arXiv:1303.0614 (2013).
  2. Sonner, Julian. “Holographic Schwinger effect and the geometry of entanglement." Physical review letters 111.21 (2013): 211603.
  3. Schaffer, Simon. “John Mitchell and Black Holes." Journal for the History of Astronomy 10 (1979): 42.
  4. marquis de Laplace, Pierre Simon. Exposition du système du monde. Bachelier, 1835.
  5. Finding the door to a parallel universe – eurekalert
  6. Oppenheimer, J. Robert, and George M. Volkoff. “On massive neutron cores." Physical Review 55.4 (1939): 374.
  7. Morris, Michael S., Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever. “Wormholes, time machines, and the weak energy condition." Physical Review Letters 61.13 (1988): 1446.
  8. Bombaci, I. “The maximum mass of a neutron star." Astronomy and Astrophysics 305 (1996): 871.
  9. Giddings, Steven B., and Scott Thomas. “High energy colliders as black hole factories: The end of short distance physics." Physical Review D65.5 (2002): 056010.
  10. The case for mini black holes – CERN
  11. Retter, Alon, and Shlomo Heller. “The revival of white holes as Small Bangs." New Astronomy 17.2 (2012): 73-75.
  12. Sonner, Julian. “Holographic Schwinger effect and the geometry of entanglement." Physical review letters 111.21 (2013): 211603.

關於作者

廖英凱

非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。