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從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路(下)

歐柏昇
・2019/04/19 ・4685字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

廣義相對論與黑洞的愛恨情仇

人們常說,廣義相對論「預測」了黑洞。這句話只說對了一半──根據相對論,巨大的恆星最終無可避免變成黑洞,但是相對論的黑洞存在著問題。

1965 至 70 年之間,潘羅斯和霍金(Stephen Hawking)證明,廣義相對論預示黑洞裡存在一個密度無限大、時空曲率無限大的奇異點。在這裡,二十世紀新物理的兩大體系──相對論與量子力學並不合!

微觀的世界會發生許多量子力學的效應,相對論卻是巨觀的,並沒有關心到微觀的問題。在黑洞奇異點這個無窮小的極端狀況下,相對論無可避免地要接受量子力學的挑戰。有些物理學家試圖整合兩大體系,提出「量子重力」理論。

史蒂芬·霍金。圖/NASA

黑洞的奇異點,可能是個量子重力主導的世界。相對論預測的黑洞,所有東西掉進去就出不來,不可能有輻射。然而量子力學用機率的觀點描述世界,不再有絕對的零,承認「無中生有」的起伏,真空並不是真的空。量子重力理論,則認為重力也會有量子起伏。考慮了量子現象之後,澤爾多維奇(Yakov Zeldovich)、貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和霍金發展出一套新理論,說明黑洞不是真的那麼「黑」,事件視界會有「霍金輻射(Hawking radiation)」。

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相對論的黑洞,更不可理解的是「裸奇異點」,也就是沒有被包藏在事件視界裡面、觀察者有可能與它接觸的奇異點。相對論「容許」裸奇異點出現,但是裸奇異點的存在會引發思想危機,尤其是決定論的哲學觀點。難道,它會混亂無章地,突然把遠古時代的一個事件吐出來嗎?世界上的因果關係是否會被動搖?

面對這項危機,潘羅斯提出了一個耐人尋味的方案:「宇宙審查猜想(Cosmic censorship conjecture)」。也許大自然早已設計了另一個機制,讓裸奇異點不能存在,來阻止這種奇怪的事情發生。這個猜想,物理學家至今議論紛紛。到底是我們的世界觀還無法接受這樣的挑戰,抑或是宇宙真有這樣巧妙的機制?

在現實世界尋找黑洞

我們回到現實的宇宙,該如何尋找黑洞呢?一般的恆星不會發出強烈的 X射線,但是中子星、黑洞可以,於是 X射線是尋找黑洞的線索。不過因為 X射線天文觀測必須飛離大氣層的干擾,因此發展得很晚。1971 年,新的 X射線望遠鏡觀測到一個可疑的天體──天鵝座 X-1 雙星系統。這個系統中,一顆星發出 X射線而幾無可見光,另一顆星正好相反。

錢德拉 X射線望遠鏡拍攝的天鵝座 X-1 雙星系統。圖/NASA/CXC/SAO

1974 年,索恩與霍金打賭天鵝座 X-1 是黑洞,索恩賭「是」,霍金賭「不是」。這個問題是可以得到答案的,假如發出 X射線的星體質量超過 3倍太陽質量,根據歐本海默的理論,它就無法以中子星的形式作,只能變成黑洞。

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到了 1990 年,霍金趁索恩去莫斯科做研究的時候,闖入索恩在加州理工大學的辦公室,把當年的「契約」找出來,壓指印認輸。於是索恩贏得了賭注──一年份的情色雜誌。這搞到索恩的太太相當驚慌!

M87星系中央,藍色是在X射線所見到的熱氣,橘色是在電波所見到的相對論性噴流。圖/X-ray: NASA/CXC/KIPAC/N. Werner et al Radio: NSF/NRAO/AUI/W. Cotton

從 1963 年發現類星體之後,隨著了解越來越多,天文學家發現它的本質其實是「活躍星系核」,能量的供應來源,顯然是超大質量黑洞吸積物質的過程。有些活躍星系核甚至有相對論性噴流(註:「相對論性」指速度非常快,快到接近光速,必須用相對論描述)。例如 EHT 的觀測目標 M87 星系,不但有活躍星系核,還有高速而筆直的噴流。這些證據一再指出,中間有個巨大的黑洞在作怪。

我們的銀河系雖然不是活躍星系核,中央仍然有個黑洞,位在銀河系中央的人馬座A* 無線電波源。天文學家長期追蹤銀河系中央一些星體的運動軌跡,證實中央需要有個黑洞,其質量高達太陽的4百萬倍。

  • 影片說明:凱克望遠鏡長年追蹤銀河系中心的星體運動軌跡,據此計算出超大質量黑洞的性質。

2015 年 9 月,當廣義相對論百週年紀念活動如火如荼進行時,雷射干涉重力波天文台(LIGO)史上第一次接收到重力波。訊號經過分析,得知是雙黑洞合併事件,兩個分別為 36 和 29 倍太陽質量的黑洞撞在一起,最後合而為一。

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經過數十年的觀測,許多天文現象,都必須用黑洞來解釋。在第一張黑洞影像出現之前,黑洞作為現實宇宙中的天體,多數天文學家沒有疑問了。

第一張黑洞的直接影像

想要看到黑洞的事件視界非常困難,因為黑洞太小了。如果有個和地球一樣重的黑洞,它的史瓦西半徑只有不到一公分。M87星系的超大質量黑洞,當然大多了,但是我們如果要從地球上看見,就必須達到驚人的解析度,差不多是要在台北看清楚蒙古草原上的一根羊毛!

在 2017 年 4 月,EHT 終於拍到史上第一張黑洞的直接影像。這是利用特長基線干涉技術,加上全球戮力合作,聚集最強大的望遠鏡組合,才有可能辦到。接著由中研院天文所等全球好幾組人馬,處理龐大的資料,分別反覆確認之後,終於在 2019 年 4 月 10 日將這個了不起的成果公諸於世。

EHT拍攝到的M87黑洞,是人類史上第一張黑洞影像。圖/EHT Collaboration

拍到黑洞照片,又能告訴我們什麼?

霍金早就向索恩認輸了,天文學家也幾乎都相信黑洞是宇宙中的天體,那為何還要大費周章拍攝一張看起來像甜甜圈的黑洞照片呢?為了證明愛因斯坦的天才嗎?

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科學哲學家孔恩(Thomas Kuhn)認為,常態科學家並不是在挑戰目前的「典範(paradigm)」,而是在典範之下從事解謎活動,基本上是在處理三種問題——確定事實、將事實與理論對應、使理論連貫。

許多天文學家關注的並非「廣義相對論是否正確」,而是在此理論架構下,我們可以確定更多關於黑洞的事實。星系如何誕生、如何演化還是一個謎團,而星系中央的超大質量黑洞與此息息相關。是黑洞吃飽了才長出星系,還是星系夠大才有能力長出黑洞?還是雞生蛋、蛋生雞的問題?我們的銀河系中央也有一個大黑洞,它是否可以幫助解答銀河系的誕生,進而解答我們為什麼在這裡?

另一方面,黑洞事件視界的觀測,也是事實與理論的對應。廣義相對論不僅承認黑洞「存在」,也描述了黑洞「該長什麼樣子」。我們需要實際觀測,看黑洞是否真的長這樣。

過去我們所知的都是黑洞的間接證據,從強烈的 X射線、周邊星體的運行軌道,得知它與相對論推衍出的黑洞一致。好比說,我們在森林裡面,看到某種動物的腳印、糞便,知道牠顯然存在於附近。但是誰知道大自然不會給我們意外呢?看到牠的身影,我們更確定是我們預想的那種動物。

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天文觀測不停地向黑洞本身推進,從黑洞在周圍留下的腳印,追到了黑洞的蹤影。我們無法真正看到黑洞「本身」,因為光線沒辦法從黑洞出來,但是看到黑洞的「剪影」,看見事件視界的輪廓,也確認中間真的有個不發光的洞,使我們更接近黑洞一步。

對於現實世界觀察或實驗的範疇,總會有個邊界,而科學家不斷嘗試擴展邊界。廣義相對論設下了一個能夠觀測的極限邊界,那就是事件視界,裡頭的光出不來,無法看見。如今,天文觀測終於開始觸及到理論劃下的邊界,這個開疆拓土的知識探求,令人相當興奮!

愛因斯坦本人都還沒走到這一步。他不相信黑洞存在,因為黑洞違反生活經驗。但是人類的「經驗」是不斷重新劃界的,人們的相信與懷疑經常都很短暫。科學的過程,則在理論與觀測不斷的辯證之中,挑戰知識的邊界。黑洞原來是完全超越現實經驗的,科學家先由理論洞察出黑洞的存在,如今更將其轉為可直接觀測的東西。觀測的邊界擴大,也開闊了人類的心智。原來我們生活的世界這麼有意思!

  • 影片說明:廣義相對論磁流體力學模擬,得到黑洞剪影的預期模樣(Credit:Hotaka Shiokawa)。

不斷擴大觀察的邊界,越多事實可以與理論對應。這次拍到的黑洞影像,科學家將它和廣義相對論克爾解比較,並且初步發現是一致的。利用「廣義相對論磁流體力學」的電腦模擬,得到理論預測黑洞周圍的光線分布,比較之下,確認觀測結果符合一個順時鐘旋轉的克爾黑洞。

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這代表說,過去幾十年理論家的預測,至少是相當成功的。克爾找到旋轉黑洞的解,潘羅斯和霍金證明穩定的黑洞都是是克爾解,如今真正看到的黑洞,的確與此一致。

解釋黑洞,一定是用廣義相對論嗎?

我們需要留意,這張黑洞影像是與廣義相對論的預測「一致」,但不確定是否只有廣義相對論能夠解釋。EHT發表的論文說明,這次拍到的影像與與克爾黑洞一致,並且檢驗了其他幾個替代方案(包括相對論及非相對論的其他黑洞假說)。這張照片確實殺掉了幾種假說,不過還有一些理論是不被排除的,而目前仍無法分辨。

科學家不斷尋求在各種情境下測試相對論,黑洞觀測即是強重力場下的測試。黑洞是相對論可解釋的邊緣地帶,現在相對論暫時通過了測試,但是繼續測試過程中,也許會發現更多問題。

因此,觀測到事件視界並不是終點,廣義相對論與量子力學的戰場於茲揭幕。這次EHT發表的一系列論文中,第一篇第一段就談到,「在史瓦西之後超過一個世紀,在廣義相對論與量子力學統合上,黑洞仍處於基本問題的心臟地帶。」未來有更高解析度的黑洞影像,科學家將有機會測試不同重力理論的預測,而後可以繼續詢問:一定是廣義相對論嗎?

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我還可以從另一個角度切入思考,一定是廣義相對論嗎?前文說過,牛頓力學也可以描述某種「黑洞」(黑星)現象,而且還與相對論預測的黑洞有幾分相似。假想一個情境,在相對論出現之前,人類就看到黑洞,說不定也會認為這是牛頓力學的成功預測?我們發覺,牛頓力學也有能力粗糙地描摹或預測黑洞,只不過歷史發展沒有給牛頓這樣的表現機會。

這意味著,不同理論可能都有能力在某些程度上成功掌握著黑洞樣貌。是誰暫時取勝,則牽涉到科學史的複雜背景。人類尋找黑洞的過程,主要是以相對論作為重力理論的典範(註:孔恩的術語),於是當科學家發覺相對論真的預測黑洞,其中包括一些牛頓力學無法說明的現象,這時就會說,相對論取得一定的成功。相對論目前成功了,但不是絕對的勝利,黑洞不見得是專屬於相對論的東西。

我們看到,理論都有成功之處,也都有侷限。在黑洞的解釋上,牛頓力學不如想像那麼失敗,而相對論與量子力學在黑洞的不合,則顯現了相對論的侷限。今天看到黑洞與相對論的預測一致,也許只是暫時的一致。量子重力或未來的其他理論,可能將更成功地解釋黑洞的觀測現象,甚至促成新的科學革命。

我們不用過度迷信愛因斯坦。不過話說回來,仍然無庸置疑的是,廣義相對論在這一百年來取得了重大的成功。當我們了解到科學理論的侷限,反而更懂得欣賞廣義相對論革命性的意義。在廣義相對論典範之下的黑洞探尋,經歷多年的相信與懷疑,終於在理論與觀測的辯證之中,把人類的心智推進到一個從未能以現實經驗想像的領域。

參考資料:

  • Bartusiak, Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians Hated by Einstein and Gambled on by Hawking Became Loved. New Haven: Yale University Press, 2015.
  • Begelman, Mitchell C., and Martin J. Rees. Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe. Cambridge: Cambridge University Press,
  • Curiel, “Singularities and Black Holes.” Stanford Encyclopedia of Philosophy. February 27, 2019. Accessed April 15, 2019. https://plato.stanford.edu/entries/spacetime-singularities/.
  • “Event Horizon Telescope.” Event Horizon Telescope. Accessed April 15, https://eventhorizontelescope.org/.
  • Event Horizon Telescope Collaboration, et al. 2019, ApJL, 875, L1, L4, L5, L6
  • Kuhn, Thomas S. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago, IL: University of Chicago Press,
  • Melia, Cracking the Einstein Code: Relativity and the Birth of Black Hole Physics. Chicago: University of Chicago Press, 2009.
  • Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einsteins Outrageous Legacy. New York: W.W. Norton,
  • Will, Clifford M. Was Einstein Right? : Putting General Relativity to the Test. 2nd ed. Oxford, UK: Oxford University Press,
  • 史蒂芬霍金著,郭兆林、周念縈譯,《圖解時間簡史》,台北:大塊,2014。
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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584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

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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》
一起來
・2024/02/08 ・4428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

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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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。