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我們正慢慢掉進巨大的黑洞裡-《世界第一好懂的科學課》

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時間就是空間

 

你我都覺得一維的時間和三維的空間是兩樣分開的東西;但愛因斯坦卻認為它們是混在一起的,混合的程度則與你的移動速率有關-慢慢移動時,空間和時間看起來是分開的,而你的移動速率接近光速時,二者就會加速混合。

我們可以來感受看看:想像你(和愛因斯坦一樣)正有點無聊地在辦公室工作,而你望向窗外、兩眼盯著對面大樓上的大鐘,期待它快點走到下午五點。因為你和大鐘彼此間是相對靜止的,所以時間和空間並不會混在一起,你可以清楚看到秒針的每次跳動。

如果指針指到五點時,你以光速遠離鐘面而去,對你來說,沒有任何「五點之後來的光」能夠追上你,所以鐘面上的時間將永遠維持在五點。開始有點感覺了嗎?在大鐘前方坐著不動的無聊上班族,會看到它以正常的速率在走;而以光速遠離同一個大鐘的你,則會看到鐘面上的時間靜止不動。

一般來說,我們在地球上旅行的速率相較於光速來說非常慢,所以我們不會注意到時間與空間混合在一起的相對性效應。但是,對地球軌道上運行的人造衛星而言,它繞行地球的速率,比地面上事物的移動速率要快得多,就要考慮相對論所要求的修正量了。

空間是一切的驅動力

有了廣義相對論的時空概念,可以幫助我們了解恆星、行星、黑洞及宇宙到底是怎麼回事。愛因斯坦說,巨大質量的物體會讓時空變得扭曲,而我們所認為的「重力」,其實只是其他物體回應這種扭曲的方式。

在時空中的兩點之間,光會選擇走最短的路徑,它也會像物質一樣,受到被太陽所扭曲的時空山谷(地球就有點像在一記困難的推桿後,高爾夫球繞著球洞轉圈)影響,而改變行進方向。

這種「重力透鏡」的奇特現象通常發生在某個黑洞剛好位在你的望遠鏡與一個遠處星系之間時。此時這個星系不會被完全檔住,而黑洞周圍的彎曲時空會表現得像哈哈鏡,讓這個星系看起來呈環狀或弧形,甚至成為多重的圖像。

拜廣義相對論之賜,我們終於弄清楚宇宙爆炸之謎的真相:並不是星系往外爆炸,而是空間自己擴張,並帶著物質跟著它一起動。原來,宇宙比較像烘焙中的水果蛋糕,其中的葡萄乾代表星系。

當蛋糕在烤箱中膨脹時,裡面的葡萄乾會離彼此愈來愈遠。不去看蛋糕的話,葡萄乾的確像是炸了開來;但是看整個蛋糕,你就知道葡萄乾其實是隨著蛋糕一起膨脹的。我們發現,空間原來一點也不「空」--它是一切事物背後的的驅動力。

我們正在掉入黑洞中

現在你知道,夜空是黑的,因為宇宙有個起點,至今仍在擴張中。恆星就像是燃燒原子發出烈焰般的巨大營火:最大的那些恆星活得精采、死得也快,最後以超新星的形式爆炸,並製造出週期表中九十二種自然存在的元素。剩下的殘骸則會壓擠成由高熱鑽石構成的「白矮星」或非常緻密的「中子星」,甚或是恆星級的黑洞。

我們自己的星系—銀河系,是個扁平狀的漩渦,夜空中看起來就像一條帶子。我們的太陽系位在銀河系旋臂的半路上,並且正繞著銀河系中心,一個太陽質量四百萬倍的超大型黑洞旋轉(就像這個星系裡的每樣東西一樣)。

廣義相對論告訴我們,我們以及周遭的恆星、氣體、塵埃和旋轉臂,都以自由落體的模式在被黑洞彎曲的四維時空移動,就像一大盆洗澡水呈漩渦狀快速流進排水孔那樣,我們全都正在加速掉入這個巨大黑洞中。所幸我們離那個黑洞還非常遠,加上還有足夠的動量使我們不至被吞掉。

我們的結局就是這樣

想像一下你搭乘太空船在外太空做實驗。你很快知道沒有辦法透過實驗來分辨加速度與重力的差別,所以你決定把太空船設定成自動駕駛模式,好睡上一覺。但筋疲力盡的你腦袋有點混亂,不小心將太空船設定成航向銀河系中央極速飛行。幾個小時後,你醒來才沮喪地發現,你正掉進那個天文學家稱為「射手座A*」的超級大黑洞裡。

接下來會發生什麼事?你會看到什麼?我們來做個最符合廣義相對論的猜測吧。

對如此巨大的黑洞來說,事件視界大約會距離黑洞中心三千萬公里遠。當你從那個距離五十倍遠的地方飛向黑洞時,因為黑洞後面的恆星及星系的光,受到黑洞的強大重力而聚焦在黑洞前方的一點上,所以你最先可能看見的會是一個明亮的點。當你更接近黑洞時,黑洞圓盤會開始變得清晰可見,圍繞在最外面的是一個由緊密堆砌的恆星與星系構成的渦旋環。

如前所述,黑洞邊緣的彎曲時空會讓從它周遭的恆星而來的光開始偏斜;從某個角度來說,你甚至可能看到同一顆星兩次。當然黑洞是不會發出任何光線的,所以雖然它基本上是個三維物件,但你的肉眼會覺得奇怪,彷彿宇宙的某些部分被這個扁平的黑色圓圈「裁掉」了。

在你經過事件視界時從窗戶往外看,看起來不過就像愈來愈靠近黑洞的表面,而地平線附近的天空因為時空扭曲,所以會有一大堆藍移的恆星擠在一起。

最後當你靠近黑洞中心,也就是所有質量集中的那個「奇異點」時-如果像雨點般打在你身上的藍移輻射沒有先把你炸熟-那麼無比巨大的時空曲率會把你和你的太空船拉長成一條線。

那麼,太空救援船上的搜救人員呢?他們沒能阻止你落入黑洞,但他們會看到什麼?怪異的是,他們不會看到你跨越事件視界。他們只會看到你的太空船愈來愈靠近黑洞的黑色表面,接著看起來就像是凍結在時間中,不斷產生紅移的現象,直到你最終完全從他們眼前消失。

有一個理論主張,如果你能在到達奇異點之前就經過蟲洞進入另一個宇宙,就能逃過一劫。但是就算你真的能從另一個宇宙裡冒出來,又怎麼能確定那裡的物理定律和這個宇宙裡的相同?在你身上的原子自動爆炸而結束你的一生之前,說不定你會發現你在另一個宇宙裡竟然留著又粗又大的墨西哥八字鬍呢!

本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

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