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從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路(上)

歐柏昇
・2019/04/19 ・4409字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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2019 年 4 月 10 日,由中研院天文所等全球 13 個機構主導的事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱 EHT),公布了人類史上第一張黑洞影像。

2019 年 4 月 10 日中研院的記者會,廖俊智院長與天文所王翔宇副所長接受媒體採訪。圖/作者提供

人類探尋科幻一般的黑洞,過程十分曲折,今天這張影像才顯得珍貴。為什麼黑洞如此耐人尋味?一張「甜甜圈」照片帶給我們什麼?愛因斯坦再度勝利了嗎?讓我們來一起思索這段相信與懷疑的路程吧!

牛頓力學中,其實有預測出「黑洞」

雖然「黑洞」這個詞在 1960 年代才出現,光線進入某個星體而無法逃脫的猜想,早在 18 世紀末就已提出。如果以為這樣的提議只是科幻想像,或者亂猜,那就錯了。

早在 1783 年,英國自然哲學家米歇爾(John Michell)的論文中,就提出一種「看不見的星球」。不久之後,法國數學家、天文學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)也提出類似的想法。他們的學說有憑有據,都是從牛頓力學推出。

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牛頓力學可以很簡單地產生一種黑洞,原理是這樣的:

每個人都知道,我們在地表往上跳躍,會掉回地面而不是飛到外太空。除非跳得夠快,快到像火箭一樣高速衝上天,否則我們無法「逃脫」地球重力。

設想「光」也是一顆顆粒子,光粒子若從某顆星球表面往上跳躍,假如星球質量非常大,重力強到光的速度也不足以逃脫,連光就只能墜回星球上,永遠不會傳遞到星球之外,我們也就看不到這顆星球了。

1783 年米歇爾的論文提出看不見的星球。圖/英國皇家學會《自然科學會報》

牛頓力學預測黑洞,其實還不差。利用萬有引力定律的逃逸速度,可以得到一個臨界半徑,在此之內的光子無法脫離。這個臨界半徑,竟然等同於「史瓦西半徑」。廣義相對論的黑洞有個「事件視界(event horizon)」,也就是光逃不出來的界線,而第一個相對論的黑洞解——史瓦西(Karl Schwarzschild)在 1916 年找到的解,事件視界的大小就稱為「史瓦西半徑」。這與米歇爾、拉普拉斯的「黑洞」,大小是完全一樣的。

以後見之明來看,米歇爾的構想有個關鍵的問題。現在我們知道,真空中的光速是永遠恆定的,不會因為星球重力而「降速」掉回去。事實上,「光速恆定」這件事情的發現,就是十九世紀末物理學危機的一大原因。愛因斯坦為了拯救「光速恆定」的前提,最終決定放棄牛頓的世界觀,創造出新理論。儘管科學史上不是因為黑洞而發覺牛頓力學出問題了,但是牛頓力學和愛因斯坦相對論分別預測的這兩種黑洞,其中關鍵的差別,同樣在於光速恆定的問題。

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雖然原理不同,但是對於遙遠的觀察者而言,兩種黑洞的特性「乍看之下」沒什麼不同,都是一顆光線出不來的星。只有當觀察者跑到黑洞表面附近,才有差別。牛頓力學的黑洞,光會往上拋再掉回來,所以表面附近有機會收到光。

我們暫不考慮抵達黑洞旁邊的情況。既然牛頓力學的黑洞,「乍看之下」與相對論的黑洞並無二致,那為什麼人們特別強調廣義相對論預測黑洞?甚至可設想,在史瓦西解出現之前,由於牛頓力學並不遵守光速恆定,愛因斯坦相對論卻得遵守光速恆定,反而牛頓才輕易地允許黑洞出現。如此,科學家不是該在牛頓被愛因斯坦推翻的同時,推翻掉黑洞的假說嗎?科學史的演變,遠比這樣的推理更為複雜。

黑洞的存在,曾經連愛因斯坦都不相信

人們容易設想,科學是個艱難但筆直的道路,不斷向前發現新事物、開拓新知。然而科學史上,人們經常迂迴地走回原處,從「見山是山」到「見山不是山」,才能來到「見山還是山」的境界。牛頓力學的黑洞,奠基在光是粒子的假說上,後來光的波動性證據不斷出現,人們暫時放棄了光粒子說,黑洞也就不成立了。二十世紀初物理學革命性的進展,量子力學重新承認光作為粒子,而廣義相對論則在另一條道路上,重新暗示著黑洞可能存在。

注意,這只是暗示著,承認黑洞存在是個更長遠迂迴的道路。愛因斯坦 1915 年提出的廣義相對論儘管隱藏著黑洞的解,且史瓦西在 1916 年就得到第一種解,卻不容易令人相信。史瓦西的黑洞性質相當詭異,所有物質、光線都會掉進一個奇異點(singularity)。

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史瓦西黑洞的構造。圖/修改自維基百科(原圖由Sandstorm de創作)

廣義相對論挑戰了牛頓的世界觀,把絕對的時間、空間推翻了。如果你看過《星際效應》這部電影,也許你記得主角來到黑洞旁邊時,時間過得緩慢,主角過了一小時,地球上竟然已經過了七年。這種現象會使得親人重新見面時,女兒變得比父親還老,威脅到人類原來的倫理觀念。

巨大的星球附近時間變慢,對於愛因斯坦是可以接受的,但是史瓦西解是個極端情況。一旦有個東西墜往史瓦西的黑洞,到達事件視界的時候,對於外界觀察者而言,會看到這個東西無限期凍結在那裡。你可以想像,發生的事件會永遠停滯在這個界線,而界線內的事件無法被外面看到,所以我們把這個地方稱作「事件視界」。這樣的情況是我們現實經驗不可能容許的。而黑洞的奇異點,似乎更令人難以接受。

史瓦西用愛因斯坦方程式解出黑洞,愛因斯坦卻不相信這種東西存在於現實中。1939 年,愛因斯坦發表一篇論文,提出粒子防止塌縮到臨界半徑的機制。現在看來,愛因斯坦忽略了一件顯而易見的事情──接近臨界半徑時,其他作用力根本無法與重力抗衡。

愛因斯坦為何犯下這個「錯誤」呢?長年研究黑洞的 2017 年諾貝爾獎得主基普·索恩(Kip Throne)說,如果我們問說愛因斯坦怎麼那麼笨,那是反映了我們並不了解「1920 到 1930 年代幾乎所有人的思維方式」。

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廣義相對論雖然「容許」史瓦西解存在,但是導致的結果違反人類生活經驗。怎麼可能時間慢到無限久?怎麼可能所有物質墜入一個點?如果這些事情成立,嚴重挑戰人們的世界觀,可能動搖許多哲學。

黑洞實在太顛覆想像?飽受質疑的恆星塌縮理論

恆星的研究為史瓦西解開啟了一條新路,不過仍然備受質疑。1931 年,當時還年輕的錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar),根據量子力學的計算,發覺白矮星質量有個上限,超過此質量則無法支撐重力。沒想到,受到當時最大牌的天文學家愛丁頓(Arthur Eddington)極力攻擊。

超過「錢德拉塞卡極限」的星體就會塌縮成黑洞嗎?另一個可能出現了。1932 年查兌克發現中子,那幾年茲威基(Fritz Zwicky)等人也根據觀測提出了超新星的說法。於是茲威基就想,超新星爆炸之後,是否可能成為一顆由中子構成的星?他的見解是對的。1937 年,藍道(Lev Davidovich Landau)發表中子核心的理論,證明中子星可以撐得住重力而存在於宇宙中。

下一個問題來了,中子星這個機制是否阻止了宇宙中產生黑洞?1939 年,歐本海默(Julius Robert Oppenheimer)提出這個問題:中子星是否也如同白矮星,會有質量上限?經過計算發現,超過某個質量之後,中子星的形式也不再能支撐一顆星球!這稱為「歐本海默極限」。

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愛因斯坦與歐本海默。圖/維基百科

不久之後,歐本海默與他的學生史奈德(Hartland Snyder),運用簡化的模型找到廣義相對論的解,說明中子星超過質量上限之後,必定走向塌縮。這個說法,質疑聲音很多。許多人認為他們的模型太過理想化,也有人考量到廣義相對論沒有經過強重力的驗證,只有在太陽系內通過檢驗。過了二十多年後,這種窘境才改變。

背後的原因,除了廣義相對論本身研究的停滯之外,還是在於黑洞完全顛覆了現實經驗,超越時人對宇宙的直覺想像。維納·以斯列(Werner Israel)寫給索恩的信談到,十八世紀的黑星(黑洞)「並無威脅到我們鍾愛的物質永恆與穩定的信念。」相對地,「二十世紀的黑洞是這種信念的重大威脅。」

科學發展的過程,其實有很多非理性的因素影響。以斯列又將黑洞與大陸漂移學說比較,說明兩者的證據都在 1916 年出現,卻「由非理性的劃界阻擋,在半路上停止了半個世紀。」兩者都到了 1960 年代才復甦,以斯列認為不但是受益於戰後科技發展,也因為蘇聯衛星發射,挑戰了西方科學的地位,也似乎告訴人們,還有很多西方科學沒想過的事。

黑洞研究的黃金時期:1963-1975

廣義相對論的研究,經過幾十年的沈悶,到了 1950 年代中期才開始復甦。運用微分幾何的數學方法,廣義相對論的理論重新整頓。而且在 1959 年,重力紅移實驗的成功,使得廣義相對論更被人們信任。

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到了 1967 年,「黑洞」這個詞才由惠勒(John Wheeler)正式採用。惠勒原來也不相信黑洞,對於歐本海默的說法抱持懷疑,直到芬克爾斯坦(David Finkelstein)在數學上找到了一個新的坐標系來解釋奇點,並且惠勒成功用電腦模擬出黑洞之後,他才轉而相信。

黑洞在 1960 年代重出江湖,有一個重要的背景,是和實際天文觀測扯上了關係。索恩說,如果在 1962 年,誰說宇宙中有巨大的黑洞,一定會被天文學家嘲笑。不過,一切都要改觀了。

類星體 3C273 的無線電波影像,可見高速噴流構造。圖/MERLIN

1963 年,拜電波天文學的技術進步所賜,天文學家施密特(Maarten Schmit)找到了一種特異的天體,像是星星,卻會發出無線電波。更奇怪的是,光譜顯示它有很高的紅移,表示它離我們非常遠(3C273 離我們 20 億光年遠)。這種未知的天體,當時就姑且稱作「類星體」。

這麼遠的天體怎麼還看起來這麼亮?顯然有極其巨大的能量供給。天文學家發覺,他們首度需要用到廣義相對論,來解釋觀察到的現象。

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1963 年 12 月,在美國德州開了一場「相對論天文物理」會議,探討類星體的問題。紐西蘭數學家克爾(Roy Kerr)在會議上,報告了愛因斯坦方程式的一個解,當下聽眾並沒有特別注意。而當著名的相對論物理學家帕帕佩特鲁(Achilles Papapetrou)聽到他的成果,立刻站起來,興奮地說明,克爾成功了!這就是他找了三十年的答案!

克爾找到的是旋轉黑洞的解。史瓦西解是個理想化的情況,因為現實中的星體並非靜止,而是在旋轉的。反對黑洞的人常想,旋轉有可能阻止黑洞產生。如今,克爾成功證明,即使星球在旋轉,也不能避免黑洞產生。

電影《星際效應》的黑洞。圖/維基百科

旋轉黑洞有個有趣的特性,是會拖曳周圍時空。正因為如此,我們看到《星際效應》裡面電腦模擬的黑洞,光線會繞著黑洞轉。而一個要墜入旋轉黑洞的東西,對於外在觀察者而言,是永遠繞著事件視界打轉。

1969 年,潘羅斯(Roger Penrose)發現,旋轉黑洞的事件視界周圍,有一個區域儲存了旋轉能量,後來這稱為「動圈(ergosphere)」。掉進動圈的東西有機會逃出來,且如果成功逃出來,還可以帶走不少黑洞的旋轉能量。所以有人說,黑洞可以作為超高效率的發電機。

1970-73 年,在霍金、卡特(Brandon Carter)、羅賓森(David Robinson)的努力之下,終於證明:任何塌縮而形成黑洞的旋轉物體,最終靜止狀態都能用克爾解表示。或者說,若有穩定態的旋轉黑洞,那都是克爾解。如此一來,克爾解就是可以在現實宇宙中出現的黑洞形式。

1963-1975 年,經過一代理論家與觀測家的努力,不僅黑洞理論有長足的進展,且黑洞不再只是不切實際的理論推算,開始能夠與物理的世界發生聯繫。

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歐柏昇
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台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。

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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

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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

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

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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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