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光如何被重力彎曲,構成黑洞的獨特景象?——黑洞旅行團,出發!(上)

ntucase_96
・2021/12/18 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(上)——彎曲的光與重力透鏡

在嚴峻的疫情下,雖然我們無法親自外出旅遊,但是想像力可不會被輕易束縛。今天讓我們一起前往廣袤的宇宙中,在那裡散布著無數龐大的天體,它們扭曲從旁擦身而過的光線,形成各式獨特的景象。在本篇文章中,我們將帶領各位讀者一起了解光線是如何被彎曲。

電影《星際效應》中,一幅令人印象深刻的畫面是主角們乘著太空梭在黑洞附近時,所看到的黑洞景象(如圖一)。但是以人類目前的太空實力,尚無法脫離太陽系,抵達巨型黑洞附近更是無法實現。那這幅景象只是純粹虛構的嗎?並不是,它是藉由物理理論將我們的認知延伸到遙遠的宇宙彼端,讓我們也有能力推測,遙遠的未來,黑洞旅行團會看到的景象!

圖一、《星際效應》中,「巨人」黑洞附近的景色。版權所有:華納兄弟。

黑洞附近獨特景象的原因,是因為它極為龐大的重力。因此,在討論黑洞景象之前,我們要先來認識描述重力的理論,那便是鼎鼎有名的廣義相對論。廣義相對論使得人們有能力理解宇宙中發生的各種現象,其中一個重要的洞見是:「重力的本質是時空的彎曲」。這句話看起來十分抽象,以下我們舉個例子試著讓各位讀者體會,力與時空彎曲這兩件看來毫無相關的事情是如何扯上關係的。

力與彎曲空間

假設有兩位螞蟻探險家,在他們眼中,地球是一個巨大的平面。有一天,他們相約從赤道上兩個不同的位置出發,拿著指北針,約好一起向正北方,以相同速度前進。在他們心中,地球是一個平面,因此兩人同時向北走,路徑會互相平行,應該永遠不會相遇(圖二a)。但經過了數個月,他們在北極點碰到了彼此,感到驚訝無比。為了解釋此結果,他們推斷:「由於地球是平的,我們會碰在一起,代表我們之間有某種吸引力,將我們越拉越近(圖二b)」。但是我們站在第三人稱的視角便會明白,他們倆最後會碰在一起,並非因為彼此之間有吸引力,而是他們所在的地球是個曲面而非平面。力與空間的彎曲似乎沒有我們想像的那麼毫無關係!

圖二、兩位相約向正北前進的螞蟻旅行家,兩條軌跡在平面上由於互相平行,應該永遠不會相遇(a)。但在球面上兩位會在北極點相遇(b),由於他們認為自己身處在平面上,會認為相遇是因為彼此之間具有吸引力,將他們的前進軌跡彎曲。

愛因斯坦偉大的洞見,便是他了解到:我們時刻感受到的重力,其實本質上是具有質量的物體造成附近時空的彎曲;我們因為認為時空是平坦的,因此把他詮釋為一種「力」,就如同兩位螞蟻探險家。細心的讀者可能留意到,我們在此使用了「時空」,而非「空間」。相對論中,時間與空間不再互相獨立,而可以互相影響。

讀者可能會疑惑:重力是一種力或是時空的彎曲,這聽起來只是詮釋角度的不同,有實質上的差別嗎?其中一個主要的差別在於對「光」的影響。古典描述重力的理論:牛頓力學,對於光通過一個大質量天體附近時,路徑會如何改變的預測,和廣義相對論的結果並不一致。1919 年,艾丁頓爵士在日蝕發生時,向太陽的方向觀測,發現竟然能夠看到理應被太陽擋住的星光。其原因便是太陽的重力造成附近的時空彎曲,遙遠的星光在通過該區域時發生路徑的偏折,使我們有機會在地球上看到它。

一個物體附近時空彎曲的程度,會和其質量大小有關。因此當光線通過愈大質量的天體附近時,路徑的改變就會越大。這個效果就如同光線通過一個透鏡時會發生偏折(如圖三)。天文學中,人們會使用由透鏡、反射鏡等組成的望遠鏡來觀察遙遠的天體。那我們是否可以使用這些天體形成的「透鏡」,來觀察宇宙呢?答案是肯定的,這便是在當前天文與宇宙學領域中,一個正蓬勃發展的觀測方式:重力透鏡。

圖三、遙遠的星光經過大質量天體時,發出的光線會如同經過透鏡一樣被彎曲,使得在地球上的我們可以看到本該被擋住的星星。

重力透鏡

根據光線彎曲的程度(也代表著透鏡天體的質量大小),重力透鏡可以被分為:微重力透鏡、弱重力透鏡以及強重力透鏡。其中強重力透鏡,由於光線的彎曲程度較大,在地球上的觀察者可以看到十分有趣的圖像。例如愛因斯坦十字、愛因斯坦環。對此議題有興趣的讀者,可以參考[3],該文章有深入淺出的解釋。

由於光線偏折的程度,與通過的天體質量有關。因此,如果我們對於光源的性質十分了解,重力透鏡可以反過來提供給我們透鏡天體的質量資訊。這特別適合拿來進行暗物質的分布量測。由於暗物質只透過重力和其他物質作用,它並不會放出任何的電磁波,要「看」到它,只能透過重力的效應。若是我們在宇宙中,發現某一個區域具有非常大的質量,造成通過的光軌跡有所偏移,但是我們又無法在該區域中,利用各種電磁波望遠鏡,看到可識別的天體,那很可能那裏有緻密的暗物質;再透過分析光線的彎曲情形,科學家們便可以推測出其中的暗物質質量分布。

在本篇文章中,我們向各位讀者介紹了光是如何受到重力的彎曲,以及相關的應用。這個效應在黑洞附近會更為劇烈,在下一篇文章中,我們將會介紹該如何「模擬」黑洞附近的景象。

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

參考資料

 

國中生的科普素養閱讀平台: 《科學生》,素養強化訓練 今天就展開!

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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。


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媽媽我不想努力了!想多生一個?研究顯示:爸爸先當「神隊友」

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/20 ・3707字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪編輯|劉芝吟
  • 美術設計|林洵安

家務分工與生育率的本土研究

搶救生育大作戰!臺灣生育率持續走低,人口負成長的警訊近在眼前,除了給薪育嬰假、育兒津貼,2021 年 8 月,政府的生育獎勵也提前至第二胎就發放,鼓勵夫妻多生孩子。加碼補助真的會讓大家願意再生下一胎嗎?搶救少子化,我們還能做些什麼?中研院社會學研究所鄭雁馨副研究員從實證研究發現,高教育背景女性生第二胎的意願,會受到家務分工影響,尤其丈夫是否分攤育兒工作更是關鍵。

工作、家庭蠟燭兩頭燒的「臺灣金智英們」

2019 年,《82 年生的金智英》颳起一陣話題旋風。電影細膩刻劃主角金智英在成長過程、家庭、職場面臨的性別處境,包括同工不同酬、婚姻與育兒負擔,不只衝出南韓高票房,在臺灣同樣掀起熱議。

「未婚的時候催趕快結婚,結婚以後催趕快生孩子,有了女兒又說再生兒子,生個孩子也不會改變什麼。」電影這段揪心金句,道出了無數女性面對婚育壓力的心聲。

然而,生個孩子,真的不會改變什麼嗎?

中研院社會所副研究員鄭雁馨副研究員,從多年研究提供幾個具體數據。根據國外不同學者在 2005、2019 年發表的論文(Gjerdingen & Center, 2005;Kim & Cheung, 2019),當家庭迎來新生兒,妻子花在家務和育兒的時間會大幅上升,丈夫的改變則不大。類似現象,也出現在臺灣。

隨著教育程度大幅提高,臺灣女性的勞動參與率節節上升,不過,家務勞動的時間卻沒有明顯變化。鄭雁馨從 2016 年「婦女婚育與就業調查」發現,臺灣婦女平均仍負擔近 80% 的家務,多數人白天在職場奔波,回家後,太太與媽媽們的「第二輪班」才正要開始……

白天在職場奔波,晚上仍要一手料理家務、育兒,是多數臺灣婦女的生活寫照。圖/iStock

臺灣婦女負擔近八成家務

誰做家事?誰來分攤育兒壓力?乍看只是小夫妻的互動模式,實際影響遠遠不止於此。

長年研究人口學的鄭雁馨直言:「臺灣女性在公領域和男性平起平坐,但如果私領域的性別平等沒有跟上腳步,整體生育率就很難提升。」眾多的西方調查已顯示,有沒有一個「神隊友」,將會影響女性是否想再生一胎。

然而過往的研究較少針對東亞社會,鄭雁馨採用 2016 年行政院主計總處的婦女婚育與就業調查,從 3564 筆年齡介於 15–49 歲且至少有一個 18 歲以下子女的女性樣本,分析「教育程度」與「家務分工」對臺灣婦女生育意願的影響,進行本土性的實證探討。研究結果在 2020 年獲刊於美國頂尖家庭期刊《Journal of Marrige and Family》,這也是將近 10 年後臺灣的家庭研究再次登上此期刊。

從數據來看,臺灣家庭分工呈現何種面貌?

調查發現,臺灣已婚婦女平均每天要花上 6.2 個小時,包括處理家事雜務、照顧一家老小,種種占了將近八成的家務。已婚男性則大約負擔 22% 的整體家務,家事、育兒的比例相差不大。

其中,有 48.5% 的女性受過高等教育,而這些高等教育程度的婦女,通常會獲得丈夫比較多的家務支持。整體而言,妻子的教育程度、收入與丈夫投入家務分工比例,呈現正相關——當妻子的社經地位越高,有越高機率擁有一個更積極分工家務的丈夫。

換言之,家務分工會隨著社會階層呈現不同樣貌:高社經婦女確實多了不少來自隊友的「後盾」支持。

家事分工越平等,媽媽更願意生第二胎

第二個問題:家務分工會影響生育態度嗎?當先生攬下越多家務,太太們會不會有更高的生育意願?

答案很有趣。整體來說,當丈夫家務總時數增加,妻子的生育意願也會增加,但進一步分析,還有三個影響關鍵。

首先,如果區分丈夫做了哪類家務,結果則不一樣。若丈夫是勤快地「做家事」,並不會影響妻子的生育意願;但如果丈夫分攤更多「照顧子女」的工作,妻子的生育意願會明顯增加。顯然對媽媽來說,比起多洗一次碗、多摺兩件衣服,爸爸能在孩子大哭大鬧時陪玩安撫、換尿布哄睡,更稱得上是神隊友。

此外,這個影響主要發生在「一寶媽」,讓她們更有意願生第二胎;對於有兩個以上寶寶的女性,影響不大。原因可能是,經歷過一次「育兒地獄」,媽媽們便能看清隊友的「屬性」,若先生沒有放自己單打獨鬥,新手媽媽自然比較願意迎接第二個寶寶;而二寶或三寶媽要再生下一胎,必須付出更高成本、考量更多面向,因此家務分工較難產生實質作用。

除了家務分工內容、胎次,第三個影響因素則是妻子的社經背景。只有在高教育程度妻子身上,丈夫投入更多家務育兒,才會明顯提高生育意願。

總的來說,研究成果顯示:

更平等的家務分工,特別是分攤育兒工作,能提升高教育女性生第二胎的意願。

數據也顯示,所謂「更平等的家務分工」並不是嚴格的 1:1。實際上,只要先生負擔超過 20% 的育兒責任,就能提高妻子的生育意願。換句話說,公平只是一種感覺,媽媽期待的不一定是全能爸爸,而是隊友實際表現出願意共同承擔照顧壓力,就能讓妻子備感支持。

臺灣的調查呼應了日本、歐洲國家的研究,當伴侶更有性別平等意識、家庭分工較平等,特別是,如果丈夫一起投入照顧孩子,能讓媽媽的育兒經驗不那麼厭世孤單,支持她再重新經歷一次懷孕、生產、帶孩子的甘苦。圖/iStock

第二輪班,東亞女性的共同壓力

鄭雁馨談到,女性承擔高比例家務是臺灣「跨世代的共同現象」。熟齡世代高達八、九成,青壯世代女性也依然負擔七、八成的家務勞動。

「減少的那一兩成,也不一定是先生做更多,可能是自動化幫了忙。」鄭雁馨犀利道出痛點。從掃地機器人、洗碗機常見的廣告語「解放媽媽雙手」、「讓媽媽不再腰痠背痛」,家務商品預設出的消費者形象,也恰恰說明了家務一把罩,仍然是社會對女性的普遍想像。

不只在臺灣。「育兒家事=太太媽媽」,這個如影隨形的標籤,普遍存在於東亞國家。

攤開數據,1990 年代中期,日本婦女每週家務勞動時數是丈夫的 13 倍;韓國為 4 倍,而且經過 20 年,「歐巴們」沒有太大改變,2019 年的研究顯示(Kim & Cheung, 2019)當家裡迎來新生兒,並不會影響韓國爸爸投入家務的時間。對照電影中金智英的無奈心聲:「醫生反問我,飯是電子鍋煮的,衣服是洗衣機洗的,為什麼我的手腕會痛?」婦女承擔「第二輪班」的壓力,仍未完全被看見和同理。

過去,男人出外打天下,女人的戰場是「家庭」,打掃煮飯、照顧老小、專心一打多。如今,許多女性同樣在職場發光發熱,但經歷生產和育嬰關卡時,她們需要付出更大的代價。除了承受懷孕的巨大身心變化,還可能影響升遷、中斷年資,甚至被不友善的職場隱性「驅逐出場」。

這也是為何研究反映出,蠟燭兩頭燒的高社經女性,更容易因為家務分工而影響生育意願。

「家務分工的均衡,影響最大的通常是高社經女性。」鄭雁馨分析:「她們可能有很好的職場表現,正在追求自己的事業和成就感,一旦生產、育兒,勢必要面臨職涯和婚育的衝突。當職場和家庭讓人身心俱疲,又發現丈夫不可能調整工作和作息,總是媽媽要犧牲,越來越多女性遲疑,或者生一個後就此打住。」

東亞各國相比,日韓女性都負擔超過八成的家務,臺灣也有近八成。香港超過六成五,中國超過七成。資料來源/鄭雁馨

停滯的性別革命:生育不只是女人的事!

臺灣生育率節節下滑,一谷還有一谷低,青年低薪、高房價、公托不足都可能是影響因素。但這項實證研究也反映出,

跟不上時代腳步的性別文化,更讓不少蠟燭兩頭燒的女性成為「厭世媽咪」,不願輕易再談媽媽經。

「為什麼北歐國家的生育率能回升?很大原因是,他們完成了兩階段的性別革命。」

鄭雁馨解釋,家務分工與生育率的持續走低息息相關,西方人口學家稱之為「停滯的性別革命」──大量女性活躍在公領域中,但男性在私領域的性別角色仍然停滯不前。這也是東亞文化圈面臨的共同問題,包括臺灣、香港、日本、南韓和中國。

舉例來說,請育嬰假、獨自推嬰兒車散步、上街買菜,是街頭常見的北歐爸爸群像。然而,當育嬰假政策來到東亞,2017 年臺灣、日本、韓國的爸爸使用率全都低於 10%。 「如果文化價值、社會環境沒有跟著改變,立意良善且進步的政策反而強化了性別分工。」鄭雁馨提醒。

回看電影,當金智英滿臉疲憊而怨懟的這麼說:「可以不要再說『幫』我了嗎?幫我做家事、幫我帶小孩、幫我找工作,這難道不是你的家、你的事、你的孩子嗎?」這或許也是大螢幕外許多「偽單親媽媽」的真實吶喊。

透過實證研究再次顯示:生育不只是女人的事,家務分工也絕非是夫妻的家內風景。若我們希望力挽狂瀾、翻轉生育率,便不應該忽視公私領域的性別結構。

 

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook