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霍金腦中宇宙的不同面貌:蟲洞、嬰宇宙與黑洞──《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》

時報出版_96
・2018/03/15 ・2926字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

1980 年代晚期,霍金以名流身分遊遍全球,然而他在心中遊歷的距離,讓那幾趟行程相形見絀。早先惠勒便曾在 1956 年引進一種量子蟲洞(quantum wormhole)觀點,這時霍金更試行穿越這類蟲洞,行險深入更特異的地帶,他要進入嬰宇宙(baby universes)。

讓我們隨他站在空間和時間之外,從更好的角度審視。

宇宙氣球新風貌:看不見卻可能隨時發生的「嬰宇宙」誕生

霍金要我們想像一個龐大的氣球以高速膨脹。那個氣球就是我們的宇宙,球面的小點是恆星和星系,小點讓表面凹陷或起皺摺。根據愛因斯坦的預測,當物質和(或)能量出現,時空也隨之扭曲。

首先,讓我們將宇宙想像成一個持續膨脹的氣球…… 圖/pexels

當我們以一台倍率不高的顯微鏡來檢視宇宙氣球(cosmic balloon),表面儘管遍布皺摺,看來卻仍相當平滑。改用倍率高的顯微鏡,我們就會察覺表面終究並不平滑。球面看來彷彿劇烈顫動,形成一團朦朧模糊的景象。

測不準原理讓量子層級的宇宙變成非常模糊,一顆粒子的位置和動量,永遠不可能同時明確得知。我們能以一種設想來描繪出這種量子不確定性的相貌,想像每顆粒子都不斷顫抖並表現隨機細微的振動。我們愈貼近觀察,顫抖也愈劇烈。全神貫注詳細審視量子層級,我們充其量只能表示,一顆粒子有這個機率出現在這裡,或有那個機率像那樣移動。宇宙氣球的表面也同樣無法預測。若以夠高的倍率來觀看,量子擾動就會變得極度混沌,於是我們就可以說,那種擾動有可能正在進行任何事情

霍金認為這種「任何事情」有可能是指什麼?他在 1980 年代晚期曾經投入思忖,宇宙氣球裡面生成一個細小凸起的機率為何。就我們比較熟悉的派對氣球而言,若球面有一點脆弱部位,那裡就會鼓起。通常派對氣球一出現這種情況就會立刻爆裂,不過偶爾會出現罕見事例,表面鼓出一個細小氣球。假使你能見到我們的宇宙氣球出現這種情況,那麼你就見證了一個嬰宇宙的誕生。

這看來相當壯觀:一個宇宙的誕生。

我們有沒有機會目睹這種事件?不可能。首先,那不是一種發生在「實」時間的現象,而是發生在討論的「虛」時間。還有個理由讓我們見不到它:霍金表示,因為若有任何東西真正稱得上從小開始,那就是宇宙了。我們的宇宙和新生嬰兒之間的連接通道(稱為臍帶亦無不可),寬約只為十的負三十三次方釐米。若想寫成分數,你可以在分子處擺個「1」,分母則寫上「1」後面跟著三十三個「0」。那是相當小。開口處(號稱蟲洞)就像細小的黑洞,閃爍現形倏忽消失,間隔短得無從想像。

我們可以把能量場的擾動現象想成一對對非常短命的粒子。蟲洞同樣是構思這種擾動的一種方式,不過這次擾動的是時空紋理:宇宙氣球的表面。

霍金的設想是,附著於這種臍帶的嬰宇宙有可能並不短命,同時,開頭很小也不見得永遠保持很小。他的想法是,到頭來新生宇宙就有可能膨脹成像我們的宇宙這般模樣,延伸跨越數十億光年。就像我們的宇宙,裡面什麼都沒有?不盡然。

霍金指出:「任何尺寸的宇宙都有可能從重力能量生成物質。」接下來就有可能形成星系、恆星、行星,說不定還有生命。

嬰宇宙和成年宇宙都為數眾多嗎?宇宙會不會從任意地方分支出來?從廚房洗碗槽內?從你體內?霍金說:會!新生宇宙有可能在我們周遭不斷生成,甚至從我們體內各點現形,我們的感官卻完全察覺不到。

你說不定會感到納悶,我們的宇宙初生之時,會不會就是另一個宇宙的側邊凸起。霍金宣稱是有可能的。我們的宇宙有可能是處於宇宙無邊迷宮的一環,各個宇宙分支出現彼此結合,就像無窮無盡的蜂巢,裡面不只有嬰宇宙,連成年宇宙也在其中。兩處宇宙有可能在不只一處定點生成蟲洞連接管道,說不定有好些蟲洞與我們自己這處宇宙的其他區域相連,或者連往其他時間(如下圖)。

在量子篩網裡面過日子:粒子是否可能墜入蟲洞?

讓我們盡情發揮想像力,從一顆電子的視角來觀看這一切現象。假定宇宙任何定點都有千兆顆黑洞閃爍生滅,那麼一顆電子所面對的事物,也就類似龐大一鍋瘋狂沸騰的濃粥。在裡面通行,就像在一道不斷變動的篩網裡面穿行同樣棘手。一顆電子在這種環境裡面試行採直線移動,肯定是要遇上蟲洞,落入其中,接著就被射出,進入另一處宇宙。這樣講似乎十分可疑,物質彷彿會從我們的宇宙消失,而這是不容許的。然而根據這項理論,物質安全無虞,不會消失。另一顆一模一樣的電子會從其他地方冒出來,回到我們的宇宙。

難道我們不會注意到這種電子替換現象?我們不會這樣看待這種事情。在我們眼中,這種事件就像一顆電子沿著直線行進。然而當蟲洞出現,霍金的想法是,這時所有的移動電子,彷彿都像具有較大質量,超過沒有蟲洞的情況。所以,倘若我們試行以任意理論來預測粒子的質量,這時就有必要知道,是否真有所謂的蟲洞。

依理論所述,若一顆電子由一顆光子伴隨一道墜入蟲洞,看來就毫無異常之處。我們只會觀測到電磁交互作用的媒介子正常交換,其中一顆電子會發射一顆光子,再由另一顆予以吸收。霍金的推想是,或許所有粒子的質量和所有粒子的交互作用(在宇宙全境永不停息的四力作用力活動),都可以用這種進出蟲洞的現象來解釋。

科幻故事中對於「蟲洞」的想像畫面。圖/Genty@pixabay

讀到這裡,或許你要合理質疑,粒子怎麼有可能穿過蟲洞。蟲洞遠比我們所知的任何最小粒子都小。誠如霍金輻射的情況,不論我們如何試行構思全貌都行不通的事例,在量子力學卻有可能成真。

霍金投入計算蟲洞對粒子(如電子)的質量會產生什麼影響,初步計算結果指出,粒子質量遠比我們實際觀察所得還大。後來他和其他研究人員,設法求得比較合理的數值。不過到了 1980 年代末期,霍金便提出質疑,不肯定蟲洞理論能不能預測我們所處宇宙或其他宇宙的粒子質量。

當某種狀況必須直接測定,無法以理論來預測,這種狀況就稱為恣意元素。就迄今所有人設想的理論來講,粒子質量和所有力的強度,完全都是這種恣意元素。蟲洞理論恐怕無法稍減這類事物的任意特性,卻有可能解釋為什麼它們恰好都是任意的。

霍金的想法是,粒子質量和其他自然界常數(fundamental numbers in nature),說不定根本都是量子變數(quantum variable)。這也表示,它們說不定都是不明確的,好比粒子路徑,或如發生在宇宙氣球表面的現象。每個宇宙的這類數量,都會在創世之際隨機訂定。可以這麼說,若是擲了一把骰子,這類數量就在那個宇宙拍板敲定,不過從理論不能知道骰子會開出什麼結果,說不定連哪種結果比較有機會出現,都沒辦法判定。蟲洞理論是不是也有這種情況,這點霍金沒有把握。

不過,後來他又回頭思索另一種觀點,那就是自然界常數,甚至還包括自然定律,說不定是因宇宙而異,而非普適全體所有宇宙的基本原則。

  • 編按:由這裡的蟲洞猜想,衍伸出許多科幻故事中「前往其他宇宙」的想像;不過恐怕霍金不太同意有任何比粒子還大的東西有機會穿越蟲洞。

 

本文摘自《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》,時報出版,2017 年 12 月 12 日。

 

 

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譜一張赫羅圖,算出星團中的「人口」及演化——天文學中的距離(三)

CASE PRESS_96
・2021/10/15 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

視差主要量測鄰近恆星的距離,想要量測得更遠就需要靠別的方法。在銀河系裡面有許多的恆星,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」,就像是一個個村落。我們對這些村落進行「人口普查」,藉由它們的顏色與亮度來找出它們的距離。

M44 鬼宿星團(又稱蜂巢星團),是位於巨蟹座的疏散星團。圖/維基百科

遠看?近看?亮度不同!

在我們《天有多大?宇宙中的距離》系列的前一篇文章中,我們介紹了「視差」。利用在太陽兩端觀測到的天體位置差異,我們得以精確量測最遠一萬光年左右的明亮恆星距離。

可是光是銀河系大小就超過十萬光年,遙遠的恆星以現在的技術根本看不出位置差異、無法使用視差法,更不用說銀河系以外還有那麼多的天體了。我們還有什麼方法來量測距離呢?

在開始實際了解作法之前,讓我們先來想像一下:「有個人在夜裡手裡拿著一支蠟燭,站在你的面前,接著愈走愈遠、愈走愈遠…」那支蠟燭的亮度看起來會有什麼樣的變化?

如果你不感到害怕的話,應該可以想像:「蠟燭的亮光看起來會愈變愈暗」對吧!

從物理的角度來看,由於蠟燭發出來的光會朝四面八方射出去。距離蠟燭愈遠,蠟燭照射的面積就愈大,所以看到亮光就變暗了。可以想像,我們看到的亮度會與照射的面積成反比,也因此與距離的平方成反比(圖 1)。

圖 1:光源照射出的亮度與照射面積成反比,也因此與距離的平方成反比。圖/參考資料 2

接下來換個情景,想像一下一個人站在一座路燈旁,遠方也有另一盞一樣的路燈。如果這兩座路燈的工程品質夠好的話,我們可以假設這兩座路燈發的光本來是一樣多的。

旁邊的路燈看起來比較亮,遠方的路燈看起來比較暗。比較近的路燈要量測到距離相對簡單且精準。這樣一來,就可以利用兩盞路燈的亮度與其中一盞路燈的距離,換算出另外一盞路燈的距離啦。

我們也可以利用類似的方法來找去宇宙遙遠天體的距離,在宇宙中的天體發射出來的光,大多都是朝四面八方射出去,因此看到的亮度就跟這個球的表面積成反比、與觀測的距離成平方反比。我們利用鄰近天體、遙遠天體的亮度,搭配鄰近天體的距離,找到遙遠天體的距離。

接下來,我們就來實際認識一個用這種方法來計算距離的例子吧!

銀河系內星團的距離:人口普查

在對一些住得比較近的恆星進行「人口普查」之後,我們對於恆星的性質有了一定的理解。我們可以觀察恆星的顏色,量測出亮度,再依照它們的距離將亮度換算成光度,接著把恆星們「光度對顏色」的分布圖畫出來,這個圖被稱為「赫羅圖(Hertzsprung–Russell diagram或H–R diagram)」(圖 2)。從這個圖當中,可以研究出很多恆星的資訊。

比方說,我們發現在赫羅圖上,大多數的恆星會分布在一條帶狀區域上。這條帶狀區域稱為「主序星帶」。恆星絕大多數的生命時光,就是從在赫羅圖上的主序星帶一端移動到另外一端。我們可以從途中看出,恆星在它的演化之路上,會漸漸地從高溫、高光度,變成低溫、低光度。以觀測的角度來說,就是從「很亮的藍白色」,變成「很暗的紅色」(見圖 2)。

圖 2:赫羅圖範例。橫軸是溫度,愈左方溫度愈高。愈上方看起來愈亮。每一個點都是一顆星。點的顏色就代表這些星看起來的顏色。可以看出有一條明顯的帶狀區域從右下角往左上角延伸,就是主序星帶。恆星主要的生命會從這個主序星帶的右下角慢慢演化成左上角的樣貌。圖/參考資料 3

也就是說,我們能從「恆星的顏色」來推知「恆星的光度」。如果我們可以清楚量測出一顆恆星的顏色,就能夠猜出它們的光度,進而計算出它們的距離。雖然這個方法跟視差一點關係也沒有,但這個方法卻被稱為分光視差(Spectroscopic Parallax)。

不過要將這個方法用在單一顆恆星會有很多的不確定性。比方說,之所以叫做主序星「帶」,就是因為它不是一條「線」。即便是在同一個顏色,它的光度會有一個不算小的範圍。

所以比起單純用來找出一顆恆星的距離,這個方法更常被用來找出一整團恆星的距離。這個方法稱為「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」。

在銀河系裡面有許多的恆星,這些恆星並不是完全隨機分布的,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」。把每一顆恆星都想成一個人的話,銀河系就是有著一千億人口的國家(人口很多也沒關係,反正土地也很大)。而星團就是國家裡的村落。有的村落具有一定的規模,可能有上百萬顆星。也有些村落比較小巧,可能只有幾百顆星。

「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」比較兩個村落的亮度,其中一個我們知道距離,另外一個的距離則是我們的目標。利用已知的距離,來得出未知的距離。

首先我們可以觀察銀河系內比較近、可以靠其他方法找出距離的星團。把星團裡的恆星「亮度對顏色」分布圖畫出來,可以找到一條主序星帶。

接著我們觀察未知距離的遙遠星團,一樣能從「亮度對顏色」分布圖中看到一條主序星帶。這兩條主序星帶由於星團的距離不同,亮度就會不一樣(範例見圖3)。比較這兩條主序星帶的亮度,就能換算出遙遠星團的成距離。

圖 3:距離不同的星團中主序星帶的差別。藍色點是畢宿星團(Hyades),紅色點是昴宿星團(Pleiades)中的恆星。每一個點都是一個恆星。橫軸是顏色,縱軸則是亮度。由於畢宿星團比較近,因此畢宿星團的主序星帶亮度比較亮、昴宿星團的主序星帶亮度比較低。從它們之間的亮度差別可以換算出距離的差別。圖/參考資料 4

過去常用來作為參考的星團是「畢宿星團(Hyades)」與「昴宿星團(Pleiades)」(圖 4)。畢宿星團是距離地球最近的星團,只有 151 光年,昴宿星團稍微遠一點點,大約 440 光年。這種距離下星團中的恆星距離可以用視差非常精準的量測。

圖 4:畢宿星團(左)、昴宿星團(右)。圖/參考資料 5、6

不過畢宿星團的缺點也是有的,畢竟主序星擬合之所以成立是建立在一個假設之上:「所有星團的主序星帶亮度都一樣」,然而這個假設是不一定成立的。我們已經發現,不同年齡的星團它們的主序星會長的不太一樣。

以畢宿星團來說,它是個相較之下年老的星團,大約6億年左右。如果要用它來找年輕星團的距離,就好像要拿開發中國家來和已開發國家比較一樣,總是會有些不公平。另外每個國家其實也都有著自己的特色,讓這個方法總是有潛在的偏差。

主序星擬合是「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」很重要的一步。藉由假設主序星的性質一致,我們找到了銀河系內遙遠星團的距離。然而主序星擬合的極限還是離不開銀河系。

在下一篇中,我們將帶大家認識量測研究銀河系外星系距離最重要的角色:「造父變星」,並介紹一位偉大的天文學家亨麗愛塔‧勒維特(Henrietta Swan Leavitt)的故事。

參考資料

  1. Pixabay / spirit111
  2. Encyclopædia Britannica, Inc.
  3. wiki / Hertzsprung–Russell diagram
  4. ESO / CAS 2003
  5. ESA Hubble / Overview of the Hyades star cluster (ground-based image)
  6. wiki / Pleiades


本系列其它文章:
天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

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