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泛科學動畫《相對論百年》有 bug!我們可以從這 bug 中學到什麼?

是的!各位觀眾朋友,今天我要講的是一個兩萬多人都沒有看出bug的動畫片的故事。故事的一開始,就是在一個剛泡好咖啡,對著電腦,路上無車無人、夜深無聲的週四,看到了泛科學的動畫片《相對論百年》。

沉沒太久,傷害也太重,是該浮出水面的時候了。問題在那裡呢?就在 0:44處,關於水星的軌道,居然以遠日點為中心,分裂成不同的傾角的軌道。這恐怕是相當大的失誤了,水星軌道受到太陽重力的影響,造成「近日點進動」,看起來應該像是下面這一張圖,近日點由位置 1不斷移動到位置 4。近日點的位置不斷地改變,這個改變的程度很小,每一百年累積起來,從位置 1到位置 2差不多是 0.16度,如果利用牛頓力學,這個角度的改變是由於其他行星的引力拉扯,還有太陽本身的形狀。但是,就算加入這些影響,還有 0.012度是無法解釋的。廣義相對論認為重力是時空的扭曲,利用這個想法,就可以完美解釋這個 0.012度的差異。

軌道

在泛科學的動畫裡面,沒有正確呈現這個部分,相反地,是用不同的軌道傾角強調軌道的不同。從正確性來說,這樣的表現方式有待商榷。在我發現 BUG的第一時間,我已經通知泛科學的編輯群,泛科學也在動畫上面做出回應。但是,經過這個事件,讓我看見科學傳播這個領域更深入的問題點。

原《相對論百年》動畫及輔助說明。

《相對論百年》動畫中呈現水星軌道變動的畫面有誤。

你不知 我不知 獨眼龍也不知的 BUG?

為什麼這麼久以來,都沒有人看出這裡有 BUG呢?這裡可以分成兩個部分來說明。從第一方面來說,真正懂得相對論的人,不見得會來看這個動畫,就算看了,也找到錯誤,也不見得有心想寫文章更正這個錯誤。另一方面的解釋是:大部分看過動畫的 2000多人裡面,有機會學習相對論的人,其實不多,大多只是聽過而已。換句話說,這裡就是「科學傳播」的數位落差,真正的專家社群,絕對是有的,只要修過大學部的古典力學,大部分都可以指正這個動畫的錯誤所在。很顯然,「打臉動畫」這件事情並沒有發生,因為觀測資料的限制,我無法判斷到底是「懂的人不出聲」還是「不懂的人佔大多數」。

公堂之上,假設一下是不犯法的,如果是「不懂的人佔多數」那麼這件事就凸顯出「科學傳播」與一般傳播不一樣的地方,雖然可以有娛樂效果,但是科學的事實還是得要正確無誤才行,才不會「誤把馮京當馬涼」,因為收視群眾最基本的權利就是「正確的資訊」,這也是媒體最基本的底線。另外一方面,要改變「懂的人不說話」這件事,就有賴於泛科學盡力吸引更多的專家加入,只有增進專家社群和一般民眾的互動了!做好!做滿!泛科學在做,阿嬤在看!

從另一個觀點來看,相對論也許大家朗朗上口,也是電影、電視等流行文化常常借用的科學理論,要熟悉其中的奧妙,就牽涉到相當高深的數學操作,光是解愛因斯坦的場方程式就必須具備微分方程的數學基礎,門檻相當高。但是,接下來我要講的,就是水星軌道問題造成的深遠影響,裡面可能藏了諾貝爾獎。

更進一步的探討

牛頓力學和相對論在本質上最大的不同,就是對「時間」的想法。這裡我們來做一個想像實驗,假設今天太陽突然不見,請問,水星的軌道會怎麼變化?在這個想像實驗中,重力是水星圓周運動的向心力,一旦太陽消失,照道理水星應該會像打出去的全壘打、變了心的女朋友一樣,向外飛走才對。相對論,對科學界最大的影響,就是改變了我們對「時空」本質的認識。在牛頓力學當中,「時間」這個概念是一個客觀的存在,不會受到任何影響。根據牛頓力學的想法,一旦太陽消失,水星馬上會飛出去,在沒有相對論之前,這應該是科學界最正確觀念。愛因斯坦,卻不是這麼認為,在廣義相對論中,時間和空間都是會改變的!而且,任何訊息的傳遞,不能超過光速,千萬別問為什麼,很可怕,這是相對論的公設。如果太陽消失,距離太陽五千七百萬公里遠的水星馬上知道這件事,然後飛走,不就超過光速每秒三十萬公里的極限了!!OH!不!

好吧!這個時候該讓愛因斯坦上場了。愛因斯坦說:「重力,其實是太陽的質量扭曲了附近的時空結構,當太陽消失,時空結構的變化也需要時間傳遞的喔!」如此一來,如果太陽消失,那麼水星要等三分多鐘才會感受到重力場的變化,然後飛走。換句話說,只要是時空結構的改變,傳遞都需要時間,就像波浪一樣。Oh! 這裡又有關鍵字出現了,是的!重力+波浪=重力波!廣義相對論預測,只要是時空結構的改變,一定會產生向外傳播的重力波。各位觀眾,這就是當代實驗物理學尚未被攻克的灘頭堡!有許多的實驗希望偵測到重力波的存在,例如宇宙誕生時的太初重力波,或者是黑洞誕生時產生的重力波。很可惜,目前重力波存在的直接證據,還沒有被科學家偵測到。不過,如果成功,一定會是諾貝爾獎等級的發現。加油!歡迎有志青年,加入物理研究的行列!

參考資料

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關於作者

Y博士

天文學家。