0

0
2

文字

分享

0
0
2

愛因斯坦「時光機」解密:近光速旅行讓時間膨脹──《宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波》

臺大出版中心_96
・2018/02/03 ・3853字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

  • 文/李傑信│美籍華裔科學家,美國航空暨太空總署(NASA)太空任務科學家
移動速度越接近光速,時間膨脹的比例就越高。圖/Melmak@pixabay

愛氏(編按:本文簡稱愛因斯坦為愛氏)在 1905 年 6 月 30 日發表的〈論動體的電動力學〉,是他的相對論中最精華的部分,然而其所用數學非常簡單,尤其是慣性座標轉移的計算,高三程度的學生們就能看懂。

在愛氏相對論的兩個假設前提下,一個三維座標中使用的時間,轉換到另一個相對等速運動的新座標時,就和新座標中的空間座標混合在一起了,即時間中有空間,空間中有時間。至於相互間混進多少比例,則要看新座標和光速比較起來的移動速度有多快。

在這篇論文中,世人最感興趣的就是:愛氏能以慣性座標之間的相對速度調整時光流失的快慢。二千多年前,秦始皇帝派徐福帶領童男童女各五百名,入東海尋求長生不老仙藥未果,徐福最後避難東瀛三島。愛氏接在徐福之後,仙藥沒找著,卻找到了時光機, 一樣能完成秦始皇長生不老的夢想。愛氏發明的這架時光機器,是人類有史以來最神奇的智慧結晶。僅用下面例子,簡略說明愛氏時光機的操作方式。

來去 25光年外的行星「魚神」旅行

人類在 2004 年發現南魚座(Piscis Austrinus)中的最亮一顆星北落師門(Fomalhaut)有行星出沒的蹤跡。經過四年的追查, 人類終於在 2008 年 5 月首次直接看到由這顆星的行星所發出的光,先命名它為 Fomalhaut-b,後以阿拉伯/希伯來的閃語,命名為「魚神」(Dagon)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「魚神」的質量可能和太陽系的木星相等,距母星北落師門約 177 個天文單位(AU),每 1,700 年繞母星一週。(人類從母星被行星掩星後光度的變化,已偵測到近 4,000 個太陽系外行星,其中近十個屬直接觀測到的一類,而「魚神」則是最早被發現的。)

圖 8 南魚座中北落師門行星系。右側放大的小方塊中顯示「魚神」從 2004 到 2012 年的軌跡。中央亮星北落師門在影像處理時被遮住, 以增加「魚神」的相對亮度。(Credit: NASA, ESA, and P. Kalas (University of California, Berkeley and SETI Institute))

北落師門位南魚座的魚嘴部位,亮度為 1.2 星等,在地球夜空中的恆星排名第 18 亮,距太陽系 25 光年。假設人類科技能以光速在宇宙中航行,從地球的位置出發,至少費時 25 年才能抵達北落師門。如再計算加速 5 年減速 5 年的考量,單程需 35 年,來回雙程則 70 年。當然得再提醒一下,這裡所用的計時器安置在地球上, 是以人類熟悉的家鄉鐘錶追蹤測量雙程旅途的所需時間。

現在有這麼一對 25 歲正值黃金年華的孿生兄弟,兄長努力打拚,獲選為行星任務的太空人,代表人類出訪「魚神」。出發前, 兄弟互相準確同步校對彼此擁有的銫原子鐘,定下 70 年後之約, 答應對方不見不散,見面前誰都不能先死。

兄長準時出發,星際航艦很快加速到光速的 99.99% 向北落師門進發。地球上的弟弟守在他的原子鐘前,1 年、10 年、35 年過去,哥哥已完成一半旅程的此時弟弟已 60 歲。40 年、50 年、60年過去,終於來到約定的 70 年後,弟弟已是 95 歲,就算吃得對、運動夠、休息足,身體還很健康,歲月卻不饒人,手腳已不太靈活,頭髮又銀白,仍然盼著兄長的歸來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所幸,哥哥的星際航艦準時返航,弟弟依約前去接機。宇宙飛船艙門打開的那一剎那,竟發現眼前的哥哥還是像 70 年前別離時的小伙子一樣,看起來完全沒變。白髮的弟弟擁著小伙子哥哥激動地老淚縱橫,兄弟倆終於圓了 70 年之約,又重逢了。

  • 有人會說, 從相對立場來看,以 0.9999 光速飛行的太空船也可用來作為靜止座標,那弟弟所在的地球就會以 0.9999 光速飛離哥哥所乘的太空船。分離 70 年後,應是弟弟顏駐,哥哥老化,這個論點就是有名的孿生子悖論〔twin paradox〕。實際上這個悖論並不成立,因為宇宙飛船要經過激烈地加速減速過程,不能和地球上溫和的慣性座標交換使用。

用愛氏的相對理論計算,以光速 99.99% 速度飛離地球的宇宙飛船,船上的時鐘比地球上的時鐘慢了約 70 倍,即地球時間向前走了 70 年,在星際航艦上的時間僅向前過了 1 年。從弟弟地球上的座標看兄長以接近光速運行的飛船,地球銫原子鐘滴答了 70秒,天上的銫原子鐘才滴答 1 秒。弟弟也發現,他摸著自已的心臟算到 70 跳,哥哥的心臟在飛船中才跳了 1 次。

換言之,以對地球0.9999 光速航行的飛船中,所有包括機械的、電子的、化學的、生物的活動都通通減慢(時間膨脹,time dilation)了 70 倍。反過來說,把星際航艦上的時間加快 70 倍,就等於地球時間。這個倍數起初以希臘小寫字母 β 表示,但後來統一以小寫的伽瑪(γ, gamma)命名。

伽瑪倍數除了用於時間,還適用於其他的物理現象上,例如: 從靜止地球測量以 0.9999 光速運行飛船和其中所有物件的長度, 皆縮小(長度縮小〔length contraction〕)了 70 倍,而從地面測量飛船中物體的質量,也都重了 70 倍。其中,弟弟在地球上靜止的座標看哥哥高速運行的慣性座標, 時鐘龜行的速率和物件長度縮短的幅度成對出現,短的長度除以短的時間,剛好維持光速在每秒 30 萬公里的恆定數值,正是愛氏在所有慣性座標中要求光速恆定的條件。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

至於高速運行中的物體質量之所以增加,是因為速度給物體注入了動能(kinetic energy),這些動能通過 E = mc2 的轉換變成質量,相當容易理解。伽瑪連接了時間、長度和質量等好多個重要的物理參數,是以不同速度運行的慣性座標之間的一條金鏈子。

在光速下的「時間膨脹」係數伽瑪 γ

寫科普文章可不能像是寫科學論文,最好不要用方程式。但有些方程式所表達的內涵,可能像貝多芬的《命運交響曲》一樣氣勢磅礡,總會令人想看看樂譜本身到底長成什麼樣子。

E = mc² 雖然是方程式,但它是人類智慧結晶的一顆大藍鑽,很多人把它當成藝術品欣賞。愛氏的相對論太美麗了,除了 E = mc2 之外,還有好幾個其他藝術品級的方程式,包括這條頻頻出現的伽瑪,我認為可以和讀者們分享一下。把伽瑪全部寫出來就是:

● 其中的 v 即為相對於某個靜止座標的速度,c 為光速。v 的速度最低為 0,此時 γ = 1,為最小值。v 最高可達到光速,即 v = c,此時 v/c 為 1,γ = 1/0,1 除以 0 為無窮大。所以 γ 的數值可由 1 一直到無窮大。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從靜止的座標測量高速運動中的物體,它的長度會收縮伽瑪倍,而質量則比靜止質量增加伽瑪倍。我們常說,宇宙中任何物體的速度,絕對不能超過光速,就是因為物體如以光速飛行,其伽瑪變成無窮大,造成物體的質量也變成無窮大—即使是一粒小灰塵,以光速運行時,質量也會變成無窮大。

宇宙中並沒有無窮大的力量,能推著無窮大的質量以光速飛奔,所以物體的速度不能超過或等於光速,只能無限地接近但仍比光速小。唯有在一個條件下, 物體才能以光速飛行,就是物體的所有質量通過 E = mc2 完全變成純能量,如此即可以光速飛行。物體發出的物理訊號,例如熱輻射是電磁波,屬於純能量,皆以光速傳播。

當然,每個座標都可自認為是靜止的。但是,一旦某個慣性座標被公認為靜止座標後,譬如前文提到以弟弟地球為中心的靜止座標,所有其他的慣性座標就全都要以它為參考靜止座標,決定出對其的相對速度 v。再強調一次,每個座標在預備起時,愛氏已把各個鐘錶同步校正歸零,當這些慣性座標出發時,都攜帶著同步校正過的鐘錶,在以後速度為 v 的慣性座標中使用。

不同速度慣性座標的伽瑪數值可參考表 1。以人類目前的科技,連表上最小的   0.01  光速都無法達到。在大氣中,音速為每秒 343 公尺,約光速的百萬分之一,算出的伽瑪值為1.0000000000005。1950 年代,人類突破音障進入超音速時代,在低地球軌道運行的衛星,以 25 倍音速飛行。「航海者號」(Voyager)經過 40 多年的引力助推加速,目前以相對太陽 50 倍的音速,脫離太陽系,伽瑪數值為1.00000000126。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
表 1 不同速度慣性座標的伽瑪數值(註:伽瑪的最後一位數為 4 捨 5 入)

想要時光機,就要飛得夠快

愛氏長生不老的時光機鎖在高速飛行的科技中。從理論上預測,人類在未來應能掌握物質──反物質效率 100%  的推進技術,再給予 10 年、20 年長時間的加速,幾乎沒有道理發展不出接近光速飛行的能力。

目前人類創造出速度最快的飛行物體為「朱諾女神號」(Juno),它在 2011年 8 月 5 日發射後,經過一次地球的引力助推加速,以相對地球約 215 倍音速,於 2016 年 7 月 5 日飛抵木星,在木星軌道上執行為期 20 個月的科學任務。圖/NASA/KSC@wikipedia

即使跟著「朱諾女神號」以最高速度航行一輩子,就算它 100 年後再回到地球,壽命也只增加了 9.5 秒,只是身體遭受了百年宇宙射線的轟擊,不知要折壽幾年。以上為愛氏 1905 年的相對理論帶給人類對時光機的浪漫想像, 比《侏羅紀公園 》(Jurassic Park,Michael Crichton,1990)更貼近科學,在未來有可能實現。然而,愛氏的時光機引出了一個深沉又難以回答的問題:

為什麼光速被限制在每秒 30 萬公里這個數值,而不是每秒 15 萬公里或60 萬公里,甚至每秒 300 萬公里或更快?

光速每秒 30 萬公里是觀測到的數據,絕對正確,宇宙沒有設局欺騙人類,而且光也不需要在介質中傳播。於是愛氏以這兩項觀測數據為棟樑,發展出「狹義相對論」並設計出時光機。慣性座標的相對速度 v 可向光速無限靠近,它的伽瑪值越來越大,也向無窮大的方向接近。

愛氏藉著慣性座標間相對速度的不同,把牛頓認為神聖不可侵犯的「絕對時間」玩弄於股掌之間。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

 

 

 

本文摘自《宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波》,台大出版中心出版。

 

 

 

 

 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
臺大出版中心_96
10 篇文章 ・ 15 位粉絲

0

0
0

文字

分享

0
0
0
停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3286字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

101
3

文字

分享

0
101
3
時間與空間的顛覆!如何用簡單的方式了解「相對論」?——《物理角色圖鑑》
azothbooks_96
・2024/09/16 ・2088字 ・閱讀時間約 4 分鐘

時間不再絕對?牛頓與愛因斯坦的時間觀差異

川村老師,請用簡單的方式告訴我「相對論」是什麼?

圖/《物理角色圖鑑》

老師:狹義相對論源自相對性原理(Principle of relativity,指物理定律〔Physical law〕適用於所有以等速直線運動的物體) 與光速恆定原理。根據這個理論,時間是相對的,依不同觀察者而有所差異。牛頓力學中的時間是絕對的,愛因斯坦則認為,可依不同的觀察者位置對時間進行不同定義。

圖/《物理角色圖鑑》

老師:之前在討論「力」時,也提過離心力。離心力是「慣性力」的一種,慣性力指物體在加速運動時感受到的與加速方向相反的力。置身在沒有窗戶的電梯中,當電梯向上加速,電梯內的人會受到向下的慣性力(譯注:因看不到外面,使得他無法判斷電梯的運動情況)。若加速度為 g,物體質量為 m,則物體所受慣性力為 mg,與在地面所受的重力 mg 相同。愛因斯坦無法區別這兩種 mg 的差異,所以視為等效。但無論慣性力的方向為何,物體都會往向量合成後的視重力場方向掉落。

時間在任何地方都固定不變嗎?

世界上最快的速度是光速。物體的移動速度若接近光速,它的時間進程就會變慢。也就是說,在接近光速的太空船上,時間會變得悠長。而且,接近光速的物體長度會朝行進方向收縮。

物體只要具有質量,即使在靜止狀態依然擁有能量(其能量 E mc2,稱為靜止能量(Rest energy)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

提到光的運動,我們已經知道光的路徑會彎曲。

1919 年,天文學家觀測到恆星發出的光線在經過太陽附近時被偏折,這種現象稱為「重力透鏡效應」(Gravitational lens),有助於了解黑洞等宇宙中質量分布的情況。此外,天體物理學家也觀測到時間的延遲。簡而言之,接近地面的時鐘行進速度會比高處的時鐘慢,GPS 也是依據這種效應來進行校正。

圖/《物理角色圖鑑》
圖/《物理角色圖鑑》

時間

牛頓力學中的「時間」(也就是我們一般理解的時間)和相對論中的時間大異其趣。牛頓在《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,1687)中,假設空間是均勻平坦的;從過去到未來,在任何地方都平均延伸。在牛頓力學中,全宇宙的時間一致。

但相對論否定了這一點。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/《物理角色圖鑑》

光速恆定原理指出,光的速度是固定不變的。這種狀況下,空間中不同地點發生的兩件事,對某個觀測者來說是同時發生,但對另一參考系的觀測者而言則非同時發生。也就是說,時間的前進速度並非在任何地方都相同。因此,時間和空間不能視為各自獨立的兩回事,應該一體化,視為四維空間(時空,Spacetime)。

不過,這是指物體移動速度接近光速時的情況。日常生活中,使用過去的時間觀不會有任何問題。

黑洞

黑洞(Black hole)是一種天體,因為密度極高,重力極強, 不只物質,連光都會被吸進去,無法逃逸。天體是宇宙中所有物體的總稱,具體來說,指太陽、恆星、行星、星團、星雲等。從相對論來看,黑洞周圍空間是扭曲的。照以下方式想像應該會比較容易理解:

把重物放在一大塊展開的薄橡皮布上,放置處就會凹下去,而這塊凹陷會影響到周圍。同樣的,黑洞所在之處會發生猛烈的空間扭曲,經過附近的天體會被極強的重力吸引,落入其中,連光也難逃魔掌。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

銀河系有許多黑洞,但具體數字不詳。2019 年,一個跨國研究計畫團隊首次拍攝到黑洞的「影子」,掀起一陣討論熱潮。

——本文摘自《物理角色圖鑑:用35個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》,2024 年 9 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

azothbooks_96
55 篇文章 ・ 21 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

0

4
1

文字

分享

0
4
1
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 ・4436字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 ___72dpi.jpeg

——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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。