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透過「光線追蹤」技術,模擬真實的黑洞樣貌——黑洞旅行團,出發!(下)

ntucase_96
・2021/12/20 ・2313字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(下)–黑洞光線追蹤

質量龐大的天體會將通過其附近的光線扭曲,形成獨特的景象。在黑洞的附近,由於緻密的質量,光線彎曲現象十分顯著。那我們是如何推估黑洞附近的景象,產生如同星際效應裡的畫面呢?這使用到了稱為「光線追蹤」的技術。

光線追蹤

我們的眼睛能夠看到周圍的物體,是因為光源照射在物體,光線經過反射、折射後進入我們的眼睛。因此,若是我們想要在電腦中,模擬攝影機(眼睛)所看到的畫面,便需要去了解有哪些光最終進入了攝影機。但其實在一個環境中大多數的光線,最終都不會進入攝影機中,因此若我們計算環境中所有的光線,會耗費大量的電腦運算資源在不需要的資訊上;所以,通常的作法會剛好相反,從攝影機的每個像素向外射出光線,去「追蹤」這條光線碰到甚麼。沿途中這條光線可能會被反射、折射等,每一個過程都會賦予這條光線一些顏色、透明度的資訊,最後便能知道某個像素該有的顏色。(如圖一)

圖一、光線追蹤概念圖。從相機發出數條光線,若是光線接觸到場景中的物體,並最後進入到光源,便根據物體的光學性質,在對應的像素點賦予影像顏色。圖片來源:筆者重繪自Wiki– “Ray Tracing”條目附圖。

光線追蹤,如它的名字所表示,是去追蹤每一條光線在沿途中發生的事,能夠很好的表現反射、折射等光學性質;因此被廣泛運用於需要產生高品質圖像的電腦繪圖領域。但也由於需要計算的光線數目十分龐大,這個技術自 1980 年代誕生至今,大多數被用於電腦動畫、電影製作等等可以使用電腦進行預渲染的領域;使用在電腦遊戲中的實時光線追蹤技術,要一直到近年,隨著圖形顯示卡(GPU)的運算速率大幅提升,才得以慢慢實現。

在一般的場景中,光線都是以直線前進。但是,我們現在知道,當光線穿過黑洞附近時,它的軌跡會被龐大的重力偏折,要準確的描述黑洞附近的光線,我們就必須準確的追蹤每道光線是如何被影響的。

黑洞光線追蹤

除了黑洞的質量大小會影響其附近光線的軌跡,黑洞若是具有高速旋轉(自旋)或是帶電,光線的軌跡也會受到影響。這些軌跡都已被物理學家透過廣義相對論計算出來,有著十分精確地描述。例如不帶電也不具有自旋的黑洞,便可以透過著名的史瓦西(Schwarzschild)方程式來描述。這些方程式被稱為「測地線(Geodesic)」方程式。測地線,其實指的就是「最短路徑」。在平面上,兩個點之間的最短路徑會是直接將兩點相連的直線,但是當空間彎曲時,最短路徑就不一定會是直線(如圖二)。我們常說的「光走直線」其實只在空間沒有彎曲時才成立,更準確的說法是「光走最短路徑」,也就是光會沿著測地線前進。

圖二、連接球面上 A、B 兩點的路徑中,沿著「經線」的路徑 1,比「直線」路徑 2 來的短。因此在空間彎曲的情況下,「直線」不再一定是最短路徑。

有了以上的了解,我們便能夠開始來進行黑洞光線追蹤了,我們以下介紹的流程,只處理了光線被扭曲的部分,實際上在黑洞附近,光線的頻率、聚焦等都會受到影響,若要產生更為準確的模擬結果,例如在星際效應電影中使用的圖像,便需要更完整的電腦模型以及強大的運算資源。在進行光線追蹤時,我們有幾件事需要先確定:攝影機(眼睛)所在的位置、看向甚麼方向、環境中不同物體的光學性質。在我們的簡化模擬中,整個環境中的光源為背景星空以及吸積盤,當光線通過它們時,顏色、亮度會受到影響。

在<黑洞旅行團,出發!(中)>文章中,我們有簡單介紹了黑洞附近的構造,從內到外可以大致分為:絕對單向道的黑洞表面—事件視界、光會不知疲倦環繞黑洞的軌道—光子球層,以及一般物質飛速繞行黑洞的區域—吸積盤。圖三中,我們使用許多條光線進行追蹤。它們大致上有三種最終的命運:逃離黑洞影響,進入背景星空、恰好進入光子球層並無止盡的環繞黑洞、進入事件視界,落入黑洞。

至於碰到吸積盤的光線,我們假設它們並沒有被吸收,只是亮度改變,並繼續前行。以下我們從圖三中挑選幾條具有特徵的光線,來說明它們是如何被賦予顏色。光線 A 由於距離黑洞較遠,被黑洞彎曲的角度不夠大,直接逃離黑洞的範圍。這時會根據其前進方向、角度,給予它背景星空對應的顏色;光線 B 通過吸積盤,最後脫離黑洞,這道光線具有的顏色便會是吸積盤以及背景星空的疊加。光線 C 十分剛好進入光子球層,無休止的環繞著黑洞運行。由於這樣的光線其實無法進入到我們的眼睛中,因此它會被賦予黑色。光線D則是直接被彎曲、吸入黑洞,因此也是賦予黑色。

圖三、黑洞光線追蹤示意圖。

當我們使用的光線數量愈多,就能夠繪製出愈高解析度的影像。以下連結為歐洲太空總署製作的網頁版黑洞模擬器,各位讀者有興趣可以至以下網址嘗試製作自己的黑洞景觀圖!

https://www.esa.int/gsp/ACT/phy/Projects/Blackholes/WebGL/

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