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掉進黑洞怎麼辦?跳入蟲洞來逃脫吧!前提是你找得到它——《解密黑洞與人類未來》

天下文化_96
・2021/12/31 ・1799字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 作者 / 海諾.法爾克 (Heino Falcke)、約格.羅默(Jörg Römer)
  • 譯者 / 姚若潔

我小時候和父母住在一大棟公寓裡。公寓後方的庭院有一個沙坑和一小片草地,整個庭院由堅不可摧的牆圍住。我很想知道牆的另一邊有什麼,因此終於忍不住開始用指甲和棍子在石板之間挖了一個洞。對我的小手來說,這是極其艱辛的工作。我趁著大人沒注意的時候祕密進行了幾個月。洞漸漸變大,但我一直沒有成功穿牆,那堵牆實在太堅固了。

綠草田附近的白色混凝土建築
庭院後方堅實的圍牆。圖/Pexels

後來我大到可以上學了,忽然能夠探索牆後的世界——因為學校正好在牆後。那個過去未知的神祕領域,不需要穿過牆,只要離開後院,繞過房子,然後穿過一道大門,就能夠抵達。有時我們就是得多點耐心,等長大以後才能瞭解直接穿牆並不是正確的道路,而正確的道路需要繞點路。

對界線另一邊的想像

直到現在,我對於牆和邊界仍有股同樣的好奇心。另一邊有什麼?我們能突破自己的極限嗎?我們有辦法繞過黑洞的黑暗之牆嗎?在事件視界的某處會不會有個缺口,讓我們可以窺視裡面,或甚至繞進去嗎?

愛因斯坦在 1935 年與助理羅森(Nathan Rosen)討論黑洞內側的情況時,也問了同樣的問題。就數學上來說,方程式也容許與黑洞相反的天體,稱為白洞,東西只出不進。讓事情更加複雜的是,理論上白洞與黑洞有可能藉著一條「橋」相互連接,於是就有了東西從黑洞進去,再從白洞出來的可能。

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目前已經有許多證據顯示黑洞存在,但還沒有任何關於白洞存在的證據,圖為大麥哲倫星雲前方黑洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by User:Alain r

在物理學上,這個架構後來稱為「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein-Rosen  Bridge)。不過在五〇年代,普林斯頓教授惠勒透過一點聰明的行銷技巧,把這個假設性的結構重新命名為「蟲洞」(wormholes),此舉讓好幾代的科幻作家十分歡喜。根據愛因斯坦和羅森的建構,逃離黑洞不僅是可能的,蟲洞也能夠連接宇宙中相距遙遠的兩個區域,因而比光速更快的旅行也成為可能。甚至是穿越時間、拜訪另一個宇宙,也變得可以想像。

但是,數學上可能的事情,就是真的嗎?數學是一種抽象的敘述方法,是科學領域的神話,能夠描述真實經驗,也能夠同樣精采的描述神奇的幻想生物。存在於數學中的事物可能會存在於現實,但不是必然。而物理學家賴以維生的工作就是,區分可能與真實。

對於白洞和蟲洞,我們也面對同樣的問題:數學上兩者看似真實,但在物理上真的有意義嗎?我們還未找到宇宙間存在著蟲洞的線索。在產生 M87 的影像時,我們的確曾稍微考慮了一下那有沒有可能是個蟲洞,但它的大小並不符合預測。

讓事情更加棘手的是,蟲洞在數學上並不穩定,如果物質從裡面穿過,蟲洞會塌縮——至少根據理論是如此。為了避免蟲洞塌縮,必須發明一種可以產生反重力的新物質型態。反物質本身不符合這項要求,因為反物質和普通物質一樣,遵循同樣的重力定律。如果把反物質拋到空中,它也會落回地上——除非它在那之前就先發出一陣耀眼的毀滅性光芒,連同物質一起自我摧毀。

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地面附近出現蟲洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by CorvinZahn – Gallery of Space Time Travel

另一個問題是,就我們所知,能讓東西穿過的蟲洞無法自然形成。我們只能自己建造一個。對某些很有創造力的理論家來說,這不是問題,諾貝爾獎得主索恩(Kip Thorne)在《紐約時報》上宣稱:「既然我們對非常高級文明擁有的技術和材料完全沒有概念,我們物理學家就擁有無限的自由來建造可供穿越的蟲洞模型。」我對此持懷疑態度。即使蟲洞有可能存在,可是理論上也還無法保證它真的能實現所有神奇的特質。但我們仍可以抱持夢想。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾.法爾克、約格.羅默,2022 年 1 月,天下文化

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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。

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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。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 ___72dpi.jpeg

——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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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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時空旅行有可能嗎?我們如何感受時間?談談那些神秘的時空理論!
PanSci_96
・2023/06/25 ・3872字 ・閱讀時間約 8 分鐘

時空旅人存在嗎?霍金的未來派對

回到過去不只是科幻迷的夢想,每個人或多或少,都有一兩件想要改變或挽回的事。可惜的是,我們在空間中可以自由移動,甚至走到馬路對面再走回來,回到起點。(當然,也有人走個斑馬線就到了異世界)然而在時間軸上,我們卻不斷地向前進,不能倒頭。這是為什麼呢?

物理大師史蒂芬.霍金,對時間的研究可說是不遺餘力,他也透過著名的《時間簡史》、《大設計》等著作,向我們闡述宇宙與時空的奧妙。霍金是位時空旅行的夢想家,為了驗證世界上是否真的有時空旅人,他甚至曾經做了一個有趣的實驗。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點,霍金認真地在劍橋大學舉辦一場盛大派對,桌上擺了美食與香檳,一旁的柱子上還綁了三色氣球。霍金仔細地準備好公開邀請函,上面寫著「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」,附上時間、地點甚至是準確的經緯度,希望時空旅人沒有迷路的藉口。

邀請函對外公開時間是派對結束「之後」,他確保這個訊息可以流傳數百年,並希望有時空旅人能看到邀請函,回到過去參加這個派對。可惜的是,無人響應、無人到場。霍金認為這證明了他的推論——時間旅人不存在。當然,如果當時有時空旅人跳出來打臉他,他也會感到非常開心。還是你認為,這只是因為時空管理局下明令,禁止未來人透露各種訊息給過去的人類,對於結果其實不需要感到意外呢?

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為何我們不能讓時間倒轉?霍金的三支箭矢

在研究時空旅行之前,我們先來了解,為什麼我們總無法倒轉時間。

對於時間的流向,霍金提出了「三支箭矢」的構想,這不是安倍晉三的經濟學箭矢,而是時間箭矢。這三支時間箭矢,分別為心理學箭矢、熱力學箭矢、和宇宙箭矢

心理學箭矢,就是我們生物感受到時間的流向。熱力學箭矢,則是熱力學中「熵」越來越大的方向,也是世上一切現象運行的方向。

所謂「熵」,是我們用來評估一個狀態的混亂程度的物理量。熵越大越混亂;例如,髒亂房間的熵比整齊的房間還大、摔成碎片的杯子熵比完整的時候還要大。根據熱力學第二定律,世間一切現象都會朝著熵變大的方向發展:杯子一定會摔碎、裡面的水一定會灑滿一地。但是,我不是可以把髒亂的房間整理整齊嗎?沒錯,但熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。

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熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。圖/envatoelements

至於最後一根箭,宇宙箭矢,則是宇宙膨脹的方向。宇宙在膨脹過程中,粒子會越加分散,熵也會持續增加,因此宇宙箭矢會與熱力學箭矢同方向

回到體感時間,既然熱力學箭矢代表世界運行的方向,如果熱力學箭矢與心理學箭矢的方向相同,那我們就會看到杯子掉到地上摔破、水灑出來。但如果反過來,熱力學箭矢跟心理學箭矢反向飛行,那我們就能看到天能中的逆熵,我們會看到杯子從碎片修復、回到桌上,水也跟著回到杯子之中。

既然如此,那我們要怎麼讓這兩支箭矢反向飛行呢?遺憾的是,因為我們的這具肉身限制,要感受環境、需要外界訊號刺激,並且轉為神經訊號到大腦;要思考,神經細胞必須透過呼吸作用,取得能量來持續運作。我們的一舉一動,建立在生物與化學反應上,也因此必須遵守熱力學第二定律。如果不遵守,我們甚至無法獲得能量,生命根本無法維持。這種現象也被稱為「弱人擇原理」。

為何心理學箭矢和熱力學箭矢必須同向?因為不同向,我們就無法存在,也就無法思考這個問題。

超光速可以連接過去?

在 DC 宇宙的影視作品中,能穿越時間的閃電俠肯定是經典代表。在 DC 宇宙,透過神速力的加持,閃電俠可以突破光速,回到過去。這會發生什麼事情呢?

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根據相對論,在速度接近光速時,時間會變為相對,對於不同速度的觀察者來說,也會產生歧異。舉例來說,如果閃電俠在路上與粉絲打招呼,卻被蝙蝠俠催著去開會。無奈的他,只好與粉絲說掰掰,接著以超光速前往蝙蝠俠基地,準時趕上會議。如果粉絲這時候用望遠鏡看著這一切,他們會看到,閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議,而且以距離計算,閃電俠肯定超越了光速。

粉絲的時空視角:閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議。圖/Pansci

然而神奇的事來了,如果此時蝙蝠俠等得不耐煩,突然想回高譚市與小丑敘敘舊,他拿出了從沒有任何人知道的特製蝙蝠車,一台可以以接近光速移動的蝙蝠車,從基地離開。就在這個時候,從他的角度觀察閃電俠,他會發現,閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。蝙蝠俠和粉絲們看到的情景大不相同,不同觀察者的時間產生歧異了。

蝙蝠俠的時空視角:閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。圖/Pansci

甚至對於獲得高速移動能力的蝙蝠俠來說,如果他的蝙蝠車也能以超光速移動而且速度夠快,他甚至能在閃電俠到達會議室前,就先跑去正在與粉絲說掰掰的閃電俠旁邊,告訴他開會的會議結論,你不用再跑一趟了。

看來透過超光速回到過去,還真的是有可能的。但別忘了相對論施加的限制,要將物體越加速到接近光速,所需要的能量就越大。如果要將有質量的物體加速到等於光速,就需要無限大的能量。或許閃電俠的神速力確實能辦到,當然這也就代表,閃電俠或許是DC宇宙中無敵的存在了。

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顯然,沒有神速力,也不是超級英雄的我們,把自身加速到超光速來時間旅行,顯然不是一個好選項。但如果我們能扭曲時空、建立捷徑,達成超光速呢?

就算兩地相隔數公里,如果我們能將時空對折,並在中間打一個洞,創造出一個任意門,只要跨過一步就能跨越原本要走上半天的路程,不就超光速了嗎?事實上,不能超光速移動的我們,跨越時空的「蟲洞」,很有可能就是我們最後的選項。

蟲洞有辦法被製造嗎?

蟲洞的概念不只是存在於科幻小說的情節,1935 年,愛因斯坦與羅森發表一篇論文,指出根據廣義相對論的計算,在某些條件下,宇宙中可能出現連接不同時空區域的「蛀孔」,稱為愛因斯坦——羅森橋,也就是我們說的「蟲洞」。

蟲洞在地面可能的樣子。圖/wikipedia

正常來說,宇宙中的能量或有質量的物質,會在宇宙中產生如同球面的正時空曲率,產生引力。如果想要產生負時空曲率,將時空向內凹陷,創造出蟲洞,我們就需要創造出負能量或具有負質量的物質。

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那麼要怎麼做出負能量或負質量的物質呢?

接下來我們進入到腦洞大開的環節:還記得我們在量子系列第五集,介紹薛丁格的貓時提到的不確定性原理嗎?根據這個理論我們可以預測,就算在空無一物的「真空」中,其實非常熱鬧。在真空中,會不斷出現正粒子反粒子組成的虛粒子對,他們一起出現,又重新碰撞、互相湮滅,這個過程被稱為量子漲落。雖然兩種粒子會互相湮滅,但不論正、反粒子都是擁有正能量與正質量,在量子漲落的過程中,為了維持整體的能量穩定,某些地方出現正能量密度,某些地方就會出現負能量密度。以此架構延伸,我們便能在真空中設計兩塊金屬板,能透過卡西米爾效應,在兩塊金屬板中,創造出負能量的區域。而這個卡西米爾效應,也在 1996 年在實驗中被實際觀測到。

卡西米爾效應示意圖。圖/wikipedia

透過蟲洞時間旅行有可能嗎?

那麼通過蟲洞時間旅行是可能的嗎?根據後來的計算,愛因斯坦——羅森橋,也就是蟲洞的存在時間非常短,會在太空船通過之前,就塌縮成奇異點。而蟲洞的通道大小,也不足以讓任何粒子大小的物體穿過。

但霍金沒有將可能性說死,或許將來,會有技術可以撐開並維持蟲洞的存在,足以讓人類穿梭而行。或許時空旅行,將成為現實。除此之外,超弦理論也有一些說法證實蟲洞可能存在,但目前弦理論都還僅止在數學計算,還未能應用在實際現象中。

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但你說,霍金不是已經透過時間旅人派對證實,沒有時空旅人了嗎?霍金解釋,根據時間悖論問題,我們看不到時空旅人,是非常正常的。至於為何無法修改過去,產生時間悖論,有可能是當過去已被「測量」,那宇宙就不能再被更改,又或是真的有某種有形或無形的時空管理局,在維持這個世界的安全呢?

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