該怎麼知道黑洞長怎樣？塑造《星際效應》裡的「巨人」形象 ─《星際效應》

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）。

「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！

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

——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。

造假是人類複雜心智的一大產物，歷史上各式各樣的作假、贗品層出不窮。作家 Kristine De Abreu 在 ExplorersWeb 網站的文章^{[參考資料1]}，整理歷史上的 6 起贗品案例，時過境遷後回顧，這些造假頗有趣味。

龐貝石碑

6 起案例最早的是龐貝石碑。這個「龐貝」不是義大利那個龐貝城，在紐約。公元 1820 年有人找到一塊石碑，上頭有看似陌生的圖像、文字，但是無人能釐清來歷。此後衍生出不少相關的假說與討論。

1894 年，工程師史威特（John Edison Sweet）出面宣稱那是他叔叔的惡作劇。這類藍色窗簾的案例十分普通，也很常見。

卡迪夫巨人

1868 年，當時某些基督教信徒根據「創世記」，主張世界上曾經有巨人漫步。美國的無神論者胡爾（George Hull）設局惡搞，製作石頭巨人誆騙信徒，希望藉此證明他們是一群盲信的傻B。

惡搞產品身高 3 公尺，重 1350 公斤，成本 2600 美金（約現在的 54000 元）。本來想運到墨西哥，但是太重，最後埋在紐約的卡迪夫親戚家，1869 年「發現」後被稱為卡迪夫巨人（Cardiff Giant）。

假巨人騙到一些人，不過也很快被識破。後來有人以 23000 美金收購（約現在的 50 萬元）。不論當初意圖是否達到，胡爾都大撈一筆。

當時有位東搞西搞的掮客……沒禮貌，是知名經紀人巴納姆（P.T Barnum） 想買卻被拒絕。於是巴納姆也製作自己的巨人，還宣稱那才是真正的假貨 XDDD

假巨人當時興起一股熱潮，許多觀眾付費參觀。對於這些花錢看假貨的觀眾，有人表示：「每分鐘都有一位傻 B 誕生（There’s a sucker born every minute）」。這句流傳頗廣的話，到底是誰講的其實沒有定論，不過江湖傳言就是巴納姆自己。

伊特拉斯坎勇士雕像

美國的里卡狄兄弟（Pio Riccardi 和 Alfonso Riccardi）與其兒子們，有一門獨特的家族事業：偽造雕像。他們在 1915 到 1918 年製作 3 具 2 公尺高的伊特拉斯坎勇士雕像（Etruscan Terracotta Warriors），並成功賣給紐約的大都會博物館。

伊特拉斯坎文化位於義大利，年代早於羅馬帝國，歷史應該超過 2000 年，可是雕像狀態太好，有人懷疑是假的。1960 年代費歐拉凡提（Alfredo Fioravanti）出面承認，他當初協助兩兄弟造假。

• 延伸閱讀：羅馬帝國之前，有草原血緣，不講印歐語的伊特拉斯坎人

皮爾當人

前幾起贗品案都無傷大雅，但是皮爾當人（Piltdown Man）深深地傷害學術。它可謂人類演化研究史上，最大的造假醜聞。

1912 年，名字和達爾文（Charles Darwin）有點像的英國業餘研究者道森（Charles Dawson）宣稱，在薩塞克斯發現古人類的化石，引發一陣轟動。他在 1915 年又宣布找到化石，這批化石後來合稱「皮爾當人」。

當時一些學者認為，皮爾當人可以填補演化史上，人與猿的缺失環節。英國出土的化石，也支持大英帝國在人類演化史上的地位。業餘人士道森一心想躋身上流，加入英國皇家學會，最終卻沒有如願，在 1916 年去世。

一直有人懷疑皮爾當人的真實性。終於在 1953 年證實皮爾當人分別具有人與猿的特徵，根本是因為皮爾當人不是一個人，而是由猿和人的骨頭拼裝而成。

• 延伸閱讀：人類演化研究史上最大造假醜聞－皮爾當人

伽利略手稿

美國的密西根大學 1934 年購入一份「伽利略手稿」，據說是伽利略本人 1609 年的手筆。造假兼打假專家威爾丁（Nick Wilding）在 2022 年 8 月證實，那是假的。決定性的證據來自紙張上的 BMO 水印，它要等到 1770 年才出現，遠遠晚於伽利略的年代。

推測這份假貨來自造假名人尼可查（Tobia Nicotra），他在 1930 年代復刻哥倫布、莫札特、林肯等等名人，製作超過 600 件贗品。

維京人的文蘭地圖

有些贗品花費數十年破解，有些則一開始就知道是假的，後來再漸漸補足證據。就像某些偵探故事，一開始就知道誰是兇手，後來才釐清作案過程，可謂證明題。

美國的耶魯大學 1960 年代取得一份 15 世紀地圖，上頭繪有文蘭（Vinland），也就是維京人在美洲的殖民地。幾乎一開始就判斷這份地圖是假的，不過做證明題也有意思，圍繞其衍伸出有趣的議題。現在知道，此圖字體不符合年代以外，使用墨水含有天然的鈦，證實這是晚於 1920 年代的字跡。

至於維京人是否曾經抵達美洲？1960 年代在這份贗品地圖出現不久後，考古學家於加拿大東北部的紐芬蘭，尋獲蘭塞奧茲牧草地遺址（L’Anse aux Meadows），證實維京人確實在美洲留下足跡。只是文蘭在哪裡，仍是謎題。

• 延伸閱讀：公元1021年，維京人在紐芬蘭砍樹

參考資料

1. Why Did They Do It? Six Archaeological Forgeries and the People Behind Them
2. Analysis unlocks secret of the Vinland Map — it’s a fake

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

重力塌縮是什麼？

按照一般的想法，與地球同樣質量，但半徑只有 8.9mm 的星球──物質緊密的塞到那種地步的終極重星，應該是不可能存在吧？很多人會想，這畢竟只是空想出來的理論。

但是在第二次世界大戰開始的一九三九那年。科學家羅伯特．歐本海默（Julius Oppenheimer）發表了「星球應該因為重力崩塌而誕生」的理論。歐本海默是製造出原子彈的人，美國羅沙拉摩斯國立研究所所長，曼哈頓計畫的負責人。他是個理論物理學家，所以也研究星球的一生。

所謂的重力塌縮是這樣的：

太陽在這裡（圖 9），太陽因為核融合而燃燒，內部製造出極為驚人的能量（大家就是靠著這個能量才能像現在這樣生活），為了製造驚人的能量，類似這種太陽的恆星，會發生不斷向外擴張、再擴張的力量。

另一方面，太陽擁有極大的質量，因為它的質量，也產生向中心落下、再落下的重力。那種「向外擴張、再擴張的力量（能量）」和「往內側落下的力量（重力）」一般會達到平衡狀態。科學家說， 像太陽那樣的星球， 大概可以活到 100 億歲。太陽現在正好是中年，大約 50 億歲左右。它幾乎── 90 億年以上都會維持這樣的安定。向外擴大的力量和因重力而掉落的力量，一直保持在平衡狀態。

但是，物質一定有結束的一天。太陽的終點是什麼呢？就是燃料用盡。太陽燃燒氫（原子序數 1） —原子序數是原子核中，質子的數量—變成氦（2），進而氦與氦又會變成鈹（4），氫（1）與氦（2）融合就會變成鋰（3），周期表中的輕原子轉變成重原子──它們的原子核融合了—核融合最後將會停止在鐵（26）形成時。因為鐵原子不會再核融合，它是最安定的物質。

因為這個緣故，太陽漸漸年老，燃燒的物質燒完，向外擴張的能量變弱……在某一瞬間，重力贏過了能量，這就是星球的末日。重力獲勝，向中心塌縮的現象，就叫做「重力塌縮」。

所有的物質都變成十萬分之一大小

你能想像星球因為自己的重力而坍塌的樣子嗎？話說回頭，「物體坍塌」是什麼意思？比如說，這裡有個橡皮擦，就算我再怎麼用力捏，也不會把它壓扁，因為它很密實。星球的內部也相當密實，哪有什麼地方供它坍塌呢？其實是有的。

就是這個：

原子是由原子核與環繞它的電子構成。

中心的原子核非常非常小，大概是整個原子的 10 萬分之 1 大。假設原子有這個會場這麼大（幾十公尺），原子核大概只有自動鉛筆筆芯的直徑。原子的內部其實很空洞。像橡皮擦，外表看起來好像很密實，但它是由原子構成的，所以內部也很空，多的是塌縮的空間。其實它可以縮小成 10 萬分之 1 大小的空間。

那麼，為什麼壓不扁它呢？因為我的力量太弱。如果有恆星那種程度的重力，力量就很大，是可以把它壓扁的。至於塌縮是怎麼一回事呢？電子原本都在固定的軌道上，塌縮就表示它掉到原子核上。電子與原子核（的質子）黏在一起，就會變成中子。

以太陽為例，它是由氫與氦等各種原子構成的，但如果所有的電子都落到它的原子核上的話，各種原子也都變成了中子。星球變成一大塊中子──稱之為中子星。

到這時候，體積變得極小──10 萬分之 1 的尺寸，但質量還是同樣巨大的星球不就誕生了嗎？歐本海默這麼認為。

體重決定死法

各位，你們知道星球也有壽命吧。壽命到了盡頭，星球也會死的。就如剛才說的，當核融合結束的瞬間，星球就死亡了。相反的，「星球誕生」指的是核融合開始的時候。塵埃（粒子）因為重力吸引而聚集、開始核融合的那一刻—發出耀眼光線的那一刻，星球就誕生了。而像地球這種不會發生核融合的星球，從一開始就死了。

而且，星球也像人一樣，有不同的死法。人有很多死法，而星的死法卻按體重的大小早就決定了。也就是說，輕和重的死法不相同。胖子快死的時候不太漂亮，相反的，瘦子可以死得很美。

超新星爆炸！

這裡畫的「紅巨星」，是快死的老人星（圖10），燃燒的物質不斷在減少。

一般人形容星球的大小，常用「太陽的幾倍」的說法。在太陽的 8 倍大以內都可以算是「瘦子」。這顆老人星如果是那種瘦子星的話，剛才說的重力塌縮會在半途停止。它不會完全塌縮，變成一塊中子，在氫和氦等「燃燒物質」還殘留的狀態停止重力塌縮。由於核融合還在繼續，所以會發出微弱的光，是一種美麗的死法，以這種方式死去的星，叫做「白矮星」（圖 10）。

但是，比太陽大 10 倍以上的胖子星會變成什麼樣呢？因為重力太大，它會以猛烈的力道塌縮。燃燒物質一用完，便急速收縮，因為力道太猛烈，物質激烈碰撞而產生爆炸。這種爆炸叫做「超新星」(super nova)，聽過嗎？你也可以在「超新星」後加上爆炸， 叫它超新星爆炸。還沒有到﹁ 超﹂ 程度的爆炸，就叫「新星」(nova)。

順便一提，為什麼它明明要「死了」，卻叫做「新星」呢？因為從前並不知道這是星球死掉的狀態。它本來是一顆會發光的恆星，但是因為距離地球太遠了，我們看不見。但在它死掉的瞬間，因為爆炸而發出極為明亮的光，古代人看到時便說「啊，那裡有一顆新的星星！是新星啊！」於是就這麼取名了。其實它不是新生的星，而是死亡的星，但古代人不知道。它有這麼個歷史的緣由。

你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎？快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧！（本書由 聯經出版）