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抱歉了愛因斯坦,但我真的沒辦法頒獎給那個酷理論——為何相對論與諾貝爾獎擦身而過?

賴昭正_96
・2021/07/28 ・5599字 ・閱讀時間約 11 分鐘

如果我能向普通人解釋,我就配不上得諾貝爾獎
—Richard Feynman(1965 年諾貝爾物理獎)

如果你不能簡單地解釋它,表示你沒有真正地理解它
—愛因斯坦(1921 年諾貝爾物理獎)

19 世紀末的物理學家曾經非常自滿地認為物理學上的基本問題都已經解決了,剩下的只是細節問題。例如因 1887 年測得光速與地球運動無關而成名的邁克爾遜(Albert Michelson)在 1894 年即說:「似乎大部分宏偉的(物理)基本原理都已經牢固確立了,剩下的只是在將這些原理嚴格應用於所有出現在我們面前的現像,尋求進一步的進展而已」。另外一個常被引用來「證明」此一觀點的是:19 世紀最傑出的科學家之一的開爾文勳爵(Lord Kelvin,註一)被誤認為在 1900 年 4 月 27 日英國科學促進會向一群物理學家發表的講話中,曾謂「現在物理學中將沒有什麼新發現。 剩下的就是越來越精確的測量而已。

美國物理學家邁克爾遜:「似乎大部分宏偉的(物理)基本原理都已經牢固確立了,剩下的只是在將這些原理嚴格應用於所有出現在我們面前的現像,尋求進一步的進展而已。」圖/wikimedia

現在我們當然知道事與願違,20 世紀的物理不但未靜如止水,反而一開始便刮起大風大雨。1874 年普朗克(Max Planck)的指導教授久利(Philipp von Jolly)告訴他說:「在這個(物理)領域,幾乎所有的東西都已經被發現了,剩下的就是填補一些不重要的漏洞。」普朗克回答說他不想發現新的東西,只想了解這個領域的已知基礎。沒想到為「了解」他 1900 年 10 月靠猜測所提出來的黑體輻射公式(參見「量子統計的誕生」),於當年 12 月被「迫」提出能量量化的觀念,吹起了 20 世紀物理革命的第一聲號角,整個改變了物理學家對客觀世界的看法。

諾貝爾獎委員當然不會忽略那些革命的功臣,相繼地頒發了物理獎給開發量子力學基礎的普朗克(1918)、 愛因斯坦(1921)、 玻爾(Niels Bohr, 1922)、海森堡(Werner Heisenberg, 1932)、薛定諤(Erwin Schrödinger, 1932)、狄拉克(Paul Dirac, 1932)、及泡利(Wolfgang Pauli, 1945)⎯⎯不包括後來的量子場論、基本粒子及其作用。

自 1901 年開始頒發的諾貝爾獎,是所頒獎的領域內最有聲望的獎項。圖/wikipedia

相對論的興起

1905 年 6 月(註二),在瑞士專利局當最低等級審查員的愛因斯坦(Albert Einstein)更不知道從何處突然冒出一篇論文「運動體的電動力學(On the Electrodynamics of Moving Bodies)」,吹起了另一 20 世紀物理革命的號角,徹底改變了統領物理界 300 多年的牛頓時空觀念。該篇論文雖然未引起大部分物理學家的注意,但普朗克卻慧眼識英雄,立即意識到了它的革命性,幫助了愛因斯坦「脫離苦海」進入學術界。10 年後,愛因斯坦又提出了一篇徹底改變牛頓重力理論的論文,開啟了近代宇宙論的研究。

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諾貝爾獎委員當然不會忽略這一位……錯了!愛因斯坦從來沒有因為相對論而得諾貝爾獎!他 1921 年的物理獎是因為普朗克曾經不敢苟同的光電效應取得的。這不是很奇怪嗎?

以相對論聞名的愛因斯坦,卻從來沒有因相對論而獲得諾貝爾獎。圖/Pixabay

事實上,早在 1910 年重力相對論未出現前,當初對愛因斯坦求職不理不睬的德國教授奧斯特瓦爾德(Wilhelm Ostwald)就已經開始提名愛因斯坦為諾貝爾獎候選人。在隨後的幾年裡,愛因斯坦更多次獲得提名;1917 年之後,每年都被像普朗克、洛倫茲(Hendrik Lorentz)、及玻爾等物理學界領導者提名(大多是因其相對論的貢獻)。1919 年,愛丁頓(Arthur Eddington)宣布日食時所觀察到的星光偏折角度與愛因斯坦 1915 年廣義相對論的預測相符後,愛因斯坦隔夜名聲大噪,成為繼牛頓之後家喻戶曉的科學家!在這些情況下,諾貝爾獎委員似乎非得給得一個獎不可!

延伸閲讀:懂廣義相對論的「第三者」是誰?

相對論的爭論

可是相對論一出來便爭論一直不停:例如它間接地否認了乙太的存在(參見「乙太存在與否的爭辯」);重力相對論又是充滿了迷宮般的數學,容易讓人產生懷疑。加上戰後德國的反猶太主義興起;猶太人成為德國戰爭失敗的代罪羔羊,作為猶太人和和平主義者,愛因斯坦當然成為一個明顯的目標。這反愛因斯坦及其理論的聲浪到 1920 年 8 月達到高潮:一群科學家在柏林愛樂音樂廳(Berlin Philharmonic Hall)舉辦公討會。在愛因斯坦也不示弱下,爭論也從純學術演變到互相人身攻擊。因此在一陣討論後,諾貝爾委員決定將 1921 年物理獎束之高閣!

過去的科學家認為,乙太是一種電磁波的傳播媒質,充滿整個宇宙。圖/wikipedia

巴黎著名學者柏格森(Henri Bergson,1859-1941)被認為是 20 世紀最偉大的哲學家之一,曾被喻為近代的蘇格拉底(Socrates);在世紀之初的幾十年,他的名聲、威望、和影響力超過愛因斯坦的。柏格森對「時間」的認知完全與愛因斯坦不同,他認為愛因斯坦的相對論是「形而上學」(metaphysics)、不是物理學,對愛因斯坦的理論公開提出了挑戰。1922 年 4 月 6 日,兩人因之在法國哲學協會(Société française de philosophie)及一群精選之知識分子的注視下舉行了「20 世紀最偉大的哲學家和最偉大的物理學家之間的對話」。

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折中辦法

柏格森公開挑戰愛因斯坦的相對論等於是火上加油,讓 1922 年之諾貝爾獎委員們更加為難;在一番掙扎後,最後終於有一位委員想到了一個折中的辦法。1922 年 10 月,當愛因斯坦正在從香港到上海的船上漂泊時,瑞典諾貝爾委員會秘書的一封得獎通知信謂:

正如我已經透過(送到你柏林住家之)電報通知你,在昨天舉行的會議上,皇家科學院因你在理論物理學方面的工作,特別是因為你發現了光電定律,決定授予你去年的諾貝爾物理學獎。(我們這一決定)並沒有將你的相對論和重力理論在未來被證實後的價值考慮在內。

愛因斯坦終於得到諾貝爾物理獎了,但不是因為人人耳熟能詳的相對論貢獻,而是象牙堂裡物理專家才清楚的光電效應(參見「太陽能與光電效應」)!但信中的口氣應該是只要將來得到實驗證明,愛因斯坦還是可以得到相對論之諾貝爾獎的。

證實相對論的實驗

可是重力相對論不是早在 1919 年就得到證明了嗎?在教科書裡,我們學到行星以橢圓軌跡繞日;但由於行星間的相互作用,這些橢圓事實上都是慢慢在旋轉的-稱為「進動」(precession)。在「暗物質與暗能量」一文裡,筆者提到了除了最靠近太陽之水星外,其他行星之進動率均與牛頓力學計算出來的結果相符。但水星的觀察值(每世紀約 574 弧秒)卻是比計算值大了43 弧秒。這正是愛因斯坦廣義相對論計算出來的結果,這麼小的數字、10% 不到的修正不會是巧合吧?雖然愛丁頓 1919 年的證明受人詬病,但這「進動」修正不是強而有力地證實了愛因斯坦的相對論嗎?

愛丁頓 1919 年觀測到星光受太陽重力發生偏折,使愛因斯坦的廣義相對論變得舉世聞名。圖/wikipedia

廣義相對論的另一個早期預測是重力紅移(gravitational red shift,參見「愛因斯坦一生中最幸運的靈感——廣義相對論的助產士」):來自緻密大質量物體的光應該略微紅移(波長變長)。1925 年,美國威爾遜山天文台的天文學家亞當斯(Walter Adams)宣布確定了天狼星(Sirius)的伴星 B 的重力紅移值正是重力相對論所預測的。

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但諾貝爾獎委員們還是充耳不聞(註三)。與之相關的另一現象重力時間膨脹已經是現今全球定位系統(GPS)必須考慮進去的修正(註四),則在愛因斯坦去逝後四年才在實驗室中得到證實。

為何最終還是失之交臂?

愛因斯坦 1955 年 4 月辭世,最後還是沒有得相對論的諾貝爾獎。一個解釋當然是諾貝爾獎委員認為相對論在愛因斯坦死前還是沒有足夠的實驗證據支持。實驗可以再現,因此容易直接判斷其正確性;但沒有實驗支持的理論(尤其是數學物理)則很難直接判斷其正確性——尤其是對不是專攻理論(尤其是數學物理)的物理學家。諾貝爾獎委員們似乎因此不敢輕易頒發這類獎章。

還有,理論是很難立即看出是否符合設立諾貝爾獎之「將為人類帶來最大利益」的目的。因此因為實驗而獲得諾貝爾獎的不但比較容易也比較多;但是理論諾貝爾獎得主因門檻較高,一般知名度都比較高。

相對論與諾貝爾獎失之交臂的另外一個原因,可能是諾貝爾獎委員有點「火」愛因斯坦。圖/wikipedia

另外一個原因可能是諾貝爾獎委員有點「火」愛因斯坦。1922 年在正式宣布前,諾貝爾物理獎主席曾很婉轉地希望愛因斯坦能取消日本之旅:「你可能非常希望在 12 月來斯德哥爾摩,但如果你當時在日本,這將是不可能的。」但愛因斯坦竟然似乎不領情,也很婉轉地回說他在​​日本的演講是約定的、不能修改,因此「希望這只會延遲預期的邀請,而不是取消它…… 。」愛因斯坦曾經說過「一個人在長期思索神秘宇宙之美妙時,他已在尋找及發現的過程中得到了足夠的回報,因此他不應該再獲得慶祝個人成就的褒獎。」當愛因斯坦脫離苦海進入學術界成為教授時,他諷刺地告訴同事說:「所以,我現在也是妓女行會的正式成員。」儘管愛因斯坦似乎不重名利,但他似乎還蠻喜歡鎂光燈。

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當然還有許多其它猜測。例如龐加萊(Henri Poincaré)及洛倫茲也應該和愛因斯坦一起贏得狹義相對論諾貝爾獎;但龐加萊已死(1912 年),洛倫茲則不同意愛因斯坦之相對論的「時、空」觀點等等……真正的原因可能將永遠不得而知。

結論

愛因斯坦最終還是沒有得到相對論的諾貝爾獎,但下列物理學家則間接地因他而得福:1983 年, Subrahmanyan Chandrasekhar 因「恆星結構和演化具有重要意義的物理過程之理論研究」;1993 年,Russell Hulse 和 Joseph Taylor Jr. 因「發現了一種新型脈衝星,為重力研究開闢了新的可能性」;2011 年,Saul Perlmutter、Brian Schmidt 和 Adam Riess 因「通過觀測遙遠的超新星發現了宇宙的加速膨脹」;2017 年, Rainer Weiss、Barry Barish 、和 Kip Thorne 因「雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)探測器和重力波觀測的決定性貢獻」。

2015 年 9 月 14 日,雷射干涉儀重力波觀測站所偵測到的重力波不但被認為是黑洞相撞而產生的,也被認為是首次「測到」黑洞存在的證據。但真正提供第一個直接「視覺」證據應是 2019 年 4 月 10 日,麻省理工學院海斯塔克天文台(Haystack Observatory)利用「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope)所攝得的黑洞及其陰影照片。

2019 年 4 月 10 日,「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope)所攝得的黑洞影像。圖/wikipedia

重力波與黑洞均是廣義相對論的產物它們的發現肯定了廣義相對論在近代宇宙論中的地位。諾貝爾獎委員們似乎再也不能忽視這些實驗證據了,他們終於在去年(2020 年),將物理獎發給因「發現黑洞的形成是廣義相對論之有力預測」的數學物理學家彭羅斯(Roger Penrose),明確地指出是因為廣義相對論的研究!如果愛因斯坦泉下有知,應該可以偷笑吧?

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注釋

  • (註一)原名湯姆森(William Thomason),在物理學之熱力學第二定律的發展有非常重大的的貢獻;他認為宇宙最終將達到均勻溫度和最大熵的「宇宙熱死」狀態,不可能從中提取任何功(參見「時間的方向性」)。國際絕對溫度系統(Kelvin)依他的名字命名。
  • (註二)9月26日才出現在德國名雜誌「物理年鑑(Annalen der Physik)。
  • (註三)還好,因為數十年後,科學家發現因錯誤的補償測量中的誤差和愛丁頓關於天狼星 B的推測,才產生了「與相對論預測相符的結果」⎯事實上亞當斯當時所測得之天狼星 B重力紅移值比實際值小了四倍。 這又是愛因斯坦幸運的另一個例子(見「懂廣義相對論的第三者是誰」),因為測得的紅移與理論值之間的不符可能會損當時廣義相對論的接受度。波普爾(Daniel Popper)在 1954 年首次準確測量的白矮星重力紅移值才真的「與相對論預測相符的結果」。
  • (註四)參見「GPS的定位數學」。

參考資料

  1. 量子統計的誕生」,1982 年 3 月號科學月刊。
  2. 乙太存在與否的爭辯」,2017 年 5 月號科學月刊。
  3. 太陽能與光電效應」,2013 年 4 月號科學月刊。
  4. 暗物質與暗能量」,2014 年 6 月號科學月刊。
  5. 愛因斯坦一生中最幸運的靈感–廣義相對論的助產士」,2021 年 3 月號科學月刊。
  6. 愛因斯坦的最大錯誤⎯宇宙論常數」,2011 年 12 月號科學月刊。
  7. 時間的方向性」,2016 年 2 月號科學月刊。
  8. 「GPS 的定位數學」,2008 年 12 月號科學月刊。在該文裡筆者「一時糊塗」沒想到另一「狹義相對論的時間膨脹」是不可以忽略的非「隨機」誤差,而錯誤地結論謂「因此可以完全忽略相對論效應,用絕對的時間與絕對的空間觀念來處理 GPS 的問題」。在「我愛科學」裡不但已經修正,也加討論了「廣義相對論的時間膨脹」。
  9. 我愛科學」(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版);本書收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在科學月刊及少數其它雜誌所發表之文章編輯而成。
  10. 懂廣義相對論的第三者是誰
  11. 霍金和黑洞:霍金一生的追尋讓我們知道了哪些事?
  12. 愛因斯坦其實沒那麼神?
  13. 畢業求職碰壁,在伯爾尼專利局思索的愛因斯坦
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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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》
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

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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。

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天下文化_96
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