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時空洪流中,一些可能有用的旅行資訊── 《我們都是時間旅人》導讀

時報出版_96
・2019/02/04 ・5752字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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  • 卜宏毅(加拿大圓周理論物理研究所博士後研究員)

迷人的時間旅行

我們都是時間旅人?我們已經可以時間旅行了?!我們都對哆啦 A 夢的時光機不陌生,但時間旅行與時間機器的這個想法,原來是在上個世紀英國作家威爾斯(H. G. Wells)的科幻作品中才首次露面。「時間旅行」確實是個引人入勝的概念,光是提到這個名字,每個人心中或許都浮現出自己的故事與畫面,卻又難以道盡:也許是因為我們總不免懷念過去,也許是後悔某些決定,又也許是對充滿未知變數的未來好奇。或多或少,我們也都想像過如果能時間旅行會是什麼樣的場景。

當然無數的小說與電影,例如:《風雲人物》It’s a wonderful life, 1946、《回到未來》Back to the future, 1985/1989/1990、《接觸未來》(Contact, 1997、《救世主》The one, 2001、《蝴蝶效應》The Butterfly Effect, 2004、《真愛每一天》About Time, 2013、《超時空攔截》Predestination, 2014、《星際效應》Interstellar, 2014,都曾在時間旅行的主題上譜出動人的故事,有些故事甚至能使我們更反思當下生活的點滴。這就是時間與時間旅行的魅力,但同時,我們卻常忘記自己其實是會隨著時間流逝而變化、衰老,不由自主地在時間中旅行──屬於我們自己的時間旅行。

電影《回到未來》的時光車。圖/wikipedia

作者葛雷易克用他個人的品味與廣泛探究,綜合歷史、哲學、文學、科學、文化等不同面向來探討時間旅行這個主題。從第一章開始,作者以時間旅行的始祖開頭,接著娓娓道來和時間相關的想法和概念,包括第四維度、未來學、未來主義(第二章)悖論、黑洞、蛀孔、相對論、同時的相對性、光(第三章)、記憶(第四章)、自由意志、宿命論、決定論(第五章)、熱力學、時間箭頭、熵(第六章)、時間之河、量子力學、量子電動力學、薛丁格的貓、多重世界(第七章)、佛教、永恆、幻象(第八章)、時間膠囊(第九章)、蝴蝶效應、多重宇宙(第十章)、因果論、封閉類時曲線、時序保護猜想(第十一章)、量子引力(第十二章)、非自主記憶、精神時間旅行(第十三章),到最後一章(第十四章)作者提到時間是個殺手,時間旅行是躲避死亡的一種手段,並給出活在當下的忠告。

書中隨意的輕重分配比較像是作者在飽覽時間與時間旅行的相關作品和研究後,思緒與心得恣意奔馳的作品──有時是概念的匆匆一瞥以及在不同章節的跳躍出現,有時是突然大量描述引用小說的劇情;作者這樣的安排或許增加了讀者對書中提到的各個領域理解的困難度,但也確實激發讀者對某些從未耳聞的主題或作品有一探究竟的動機。本書像是一次出航,讓不同背景的讀者在不同的章節中找到共鳴而流連(讀者可以看看是否你對時間旅行的聯想也被納入書中,而作者又是用什麼樣的角度去描述)。本書又或是更像一張地圖或是一袋種子,讓讀者的思緒或好奇心在某個午後發芽。

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時間與空間的觀念革新

在開始閱讀本書之前,或許以下額外的物理資訊會對你有所幫助:

時間和空間,像是兩個擁有截然不同特性的東西。在日常生活中,我們可以在空間中相對自在地移動,但在時間中我們只能往前。在十七世紀牛頓的時代,人們認為存在著絕對的時間與空間:它們提供了萬事萬物存在互動的舞台。想像一下,在這樣的絕對時間與空間中,有位在地面上的觀察者 A,和相對於 A 在等速運動的火車裡的另一位觀察者 B。如果觀察者 B 丟出一個球,那麼觀察者 A 將會看到這顆球的速度是火車相對於 A 運動的速度加上 B(相對於火車不動)丟球的速度。

然而,到了十九世紀,人們漸漸注意到時間和空間並非獨立運作,他們以一種巧妙的方式一起合作,讓即使是相對運動速度接近光速的兩位觀察者(例如在地面上的觀察者 A,和相對於 A 在一個接近光速且等速運動的火箭裡的另一位觀察者 B),居然量測到的光速都是一樣的!如果你還記得描述速度概念時我們同時運用到了時間空間的概念(例如:火車的速度是每小時一百公里),意味著時間和空間的建構在不同的座標系統(即是兩位觀察者各自存在的座標系統)並不一樣,使得觀察者 A 與 B 能測量到同樣的光速!甚至對觀察者 A 來說,兩個「同時」發生的事件對觀察者 B 來說並非同時(相對論就是指這樣「相對」的概念)。

一九○五年愛因斯坦提出的狹義相對論即是描述與規範了時間和空間(還有質量)的相對性。因為時間和空間的共同合作,時間和空間也一併稱為時空(spacetime):三維空間加一維時間(而不是指把時間當成空間的四維空間描述)。這就是書中隨處可見的第四維度,第一章提到的時空就像是個「塊體」(block)的結構,以及在第四章中特別提到的光和時空的背景故事。

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時空是可以彎曲的。圖/JohnsonMartin @pixabay

理解時空的故事還在繼續。狹義相對論雖然有了時空的概念,但在狹義相對論中所討論的時空,是個處處均勻的「平坦」時空。人們接著發現時空可以彎曲,而且物體在彎曲時空中的表現,就等同於重力對物體的影響。同時,物體本身的存在也造成了時空的彎曲。

一九一五年愛因斯坦提出的廣義相對論即是描述上述的時空彎曲與能量(與質量)的關係。而黑洞(在廣義相對論中被理解成一種時空結構)附近的奇怪性質是最經典的一個例子:黑洞的內部被定義成是光都無法往外逃出的區域,而在黑洞外部,空間在黑洞附近會沿著半徑方向被拉長,而越靠近黑洞時間流逝得越快,而且光線還會被彎曲(黑洞內部的時空結構則又更奇怪了)。因此,的確可能利用時間流逝速率的差別來做時間旅行。如果太空船有機會靠近黑洞,待一陣子再離開的話,太空船裡的人經歷的時間會比沒有靠近黑洞的人要慢許多,就等於是到達了那些沒有靠近黑洞的人的未來(電影《星際效應》裡也有這樣的劇情)。書中的第三章與第十一章簡短提到了這樣的想法。

在提出廣義相對論之後約一百年的今天,我們開車導航所仰賴的全球定位系統(Global Positioning System,其原理是接收在高空至少四個人造衛星送出的訊號,再根據時間差來計算在地表上的位置),就必須要考慮在地表的時間流逝比在人造衛星所在高空的時間流逝要慢的相對論效應(就像是在黑洞附近一樣,只是效應要小許多:GPS 需要考慮到 10-9 秒的時間修正),才能做到精準的定位,這些在書中的第二章也曾提到過。

配備 GPS 讓你開車不迷路。圖/pxhere

時間旅行有可能嗎?

探索廣義相對論所允許與預測的時空結構讓人意外連連。時空不但可以彎曲,還可以旋轉、誕生,甚至有些時空能允許觀察者在不超過光速的情況下,在時空中不停「旅行」,最後卻能回到當初出發的時空點(這樣的奇怪宇宙由第十一章提到的哥德爾[Kurt Godel]所發現)。這樣的時空旅行在時空中呈現一個閉合的曲線,也就是在十一章提到的封閉類時曲線(closed timelike curve;這裡的「類時」[timelike]指的是旅行過程中從時空的每一點到下一點都在光速的限制內)。在這理論下允許的時空雖然吸引人,但我們的宇宙似乎沒有這樣的特性。

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另外,根據廣義相對論,時空也可能允許形成一種蛀孔(wormhole)的結構(在第三章與第十一章提到),在時空中的兩個地方建立捷徑。讀者不妨把時空想成蘋果表面,而蛀孔就像是在蘋果上蛀的一個洞。蛀孔的時空結構並不穩定,無法穩定存在到真的有生物可以穿越過去。因此我們特別稱呼可以穿越過去的蛀孔稱為可穿越蛀孔。想像某個先進文明可以自由控制著蛀孔兩端的入口,將一端放在黑洞附近,另外一端放在遠處,根據洞口兩端的時間流逝的不同(之前提過的相對論效應),經過一段時間後,就可以建立起一個洞口兩端連接起穿越過去與未來的時間機器。

然而,假如時間機器與時間旅行真的能實現,那又會如何?雖然到達未來的時間旅行在因果關係上比較沒有問題,但如果是回到過去,就會出現一些讓人頭疼的問題。當歷史已經確定,我們有可能回到過去改變歷史嗎?第三章與第十一章提到的祖父悖論,就是時間旅行中經典的問題:如果回到過去殺害自己的祖父(甚至是殺害自己),你還會存在嗎?

的確有些物理學家認真探討過這種問題,大致上有兩種觀點:第一種是無論你怎麼嘗試,絕對無法成功,甚至你回到過去的所作所為就是造成你出發前的歷史。在這種情況下,歷史只有一個,而且因果律被保存下來。這就是時序保護猜想(第十一章)。雖然這樣解決了時間旅行中因果矛盾的問題,但又衍生出另一個問題:如果回到過去的我們沒有辦法做出或完成某些決定,那麼自由意志在哪裡(第五章)?另一種觀點,是你真的有可能成功殺害過去的自己。這種情況下,自由意志被保存下來,卻又產生了因果矛盾。其中一個解套的方法,就是允許有另一個歷史,但是不同的歷史卻各自存在於不同的世界中。這樣的想法源自於下面要提到的量子力學所提供的另一種觀點。

如果你回到過去殺了祖父,那還會有你的存在嗎?如果你不存在,又怎麼能殺了祖父?圖/pxhere

科學家仍然在奮鬥的難題:時空結構可能更複雜

時間再拉回十九世紀,當相對論為時間與空間帶來新的生命時,人們對分子尺度以下的微觀世界的認識也從發現光量子(光的能量不是連續的,而是一個個可以分開數的「光子」;這樣非連續的本質稱為「量子」)誕生的量子力學而徹底改變。量子力學描述的微觀世界是個充滿魔法的世界:系統的狀態只能允許呈現不連續的物理特性,粒子可以穿牆,也能呈現波的性質,而且對粒子的位置測量的越精確,就越不能確定其運動狀態。

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在量子的世界中,粒子性質在被測量前呈現隨時間演化的機率分布,直到測量時粒子性質才被確定下來。人們雖然找到描述量子世界中機率隨時間演化的數學描述,卻對這些描述產生不同的理解與詮釋(儘管這些理解不影響數學公式的運作以及對實驗的預測)。其中一種觀點是沒有被觀測到的結果,其實在另一個世界中被觀測到,而那個世界和我們這個世界彼此各自獨立。這就是在第七章和第十二章提到的多世界詮釋(many-worlds interpretation)。

在相對論與量子力學在各自的領域獲得空前成功的同時,狹義相對論與量子力學結合成了一個新的分支,稱為量子場論。量子場論中最先被推導出來的部分是(第六章提到的)描述電磁作用的量子電動力學。量子場論適當地描述了基本粒子與它們之間交互作用,唯獨重力還未能包含在這個大架構之下。時至今日,物理學家還在努力朝這個方向前進,希望由一個更廣泛的理論來概括廣義相對論和量子力學。這個企圖將重力量子化的理論稱做量子引力。合併量子力學和廣義相對論是一個艱難的工作,甚至物理學家們對考慮量子力學後的黑洞表面(廣義相對論中最經典的時空結構之一)的本質,至今過了四十多年還是各有看法,懸而未解。

無論如何,量子引力將能回答諸如「時空在極小的尺度下是否是不連續?怎麼不連續?」的艱難問題,並帶給我們對時空更加深刻的理解。在發展量子引力理論的過程中,對於時間空間的維度有了新的猜測,時空也許不只是相對論中所考慮的四維,而有更多的維度(十維甚至更多!)。這些可能存在的高維度世界也許共存著我們宇宙之外的平行宇宙(parallel universe),在某些狀況下這些平行宇宙也可能互相影響。這些概念與十二章提到平行宇宙的分類其中幾種相關聯(前面提到的多世界詮釋也是平行宇宙的分類之一)。這些「隱藏」的維度是否真的存在或者只是數學上的概念,是物理學界的大哉問。無論如何,在葛雷易克的穿針引線下,讀者將會在一路上隱隱約約看見這些風景。

更高維度是否真的存在或者只是數學上的概念?圖/geralt @pixabay

熱力學定律能指出時間的方向

最後,我們再來認識一個和時間有關的物理領域:熱力學。熱力學是探討溫度(能量的一種形式)、系統與環境的能量轉移的一門科學,從八○年代開始,為了增加蒸汽機效能的了解而發展。在熱力學中有些過程一旦發生是無法回到之前狀態的(例如將一杯水倒入大海中),稱為不可逆過程。了解不可逆過程的一種看法是觀察系統的微觀狀態的統計性質──在各種可能的微觀系統組合中,系統的狀態會趨於最可能出現的狀態。不同的系統狀態根據不同微觀系統組合的可能程度,擁有不同的「」值。

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熱力學中的其中一個定律就是,系統的熵值只會保持不變或是變得越大。後者的陳述描述了不可逆過程,也讓時間有了一個能分辨的方向。就像第六章裡提到的,這讓時光旅行的討論變得更加複雜。

「時間」,我們對它為何那麼熟悉又陌生的可能原因之一是,它有太多的名字:很久很久以前、小時候、當初年輕時、長大後、下一世代、未來……。另一個原因是它也有太多的身分:時間是金錢、是沉澱、是養分、是變化、是河、是箭頭,也是通往永恆的起點(也或許是終點)。書中的最後一章,是我最有共鳴的章節。面對永遠,也許在我們的時間旅行中,都有過這樣的時刻:

Millions long for immortality who don’t know what to do with themselves on a rainy Sunday afternoon.(人們渴望永生,卻又不知道在下雨的周日午後要做什麼。)

──英國小說家蘇珊‧艾耳茲(Susan Ertz)

你最喜歡書中的哪個章節?如果你可以時間旅行,你想要做什麼呢?

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時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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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 ・4430字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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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!

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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——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。

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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