4

13
9

文字

分享

4
13
9

時間是甚麼?國內物理學家與哲學家怎麼看?

臺灣邏輯、方法論、科學與科技哲學學會_96
・2022/05/24 ・5139字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 撰文|陳貴正(中央研究院歐美研究所博士後研究員)
  • 校對|陳樂知(臺灣大學哲學系助理教授、臺大傳統與科學形上學研究中心執行長、臺灣邏輯、方法論、科學與科技哲學學會秘書長)

臺灣邏輯、方法論、科學與科技哲學學會(LMPST Taiwan)為促進學科之間的交流,以及學界與公眾之間的交流,籌劃《種種意識講場》的系列論壇。

合辦者包括政治大學現象學研究中心、清華大學實作哲學中心、臺灣大學哲學系、臺灣跨校意識社群、PHEDO 台灣高中哲學教育推廣學會、沃草公民學院,贊助者則為順弈有限公司。

繼前次的〈意識的真象與假象〉論壇之後,第二次論壇則以〈時間與時間意識〉為題,於 2022 年 4 月 16 日在郵政博物館視聽室舉行。

鄭會穎教授(政治大學哲學系助理教授、現象學研究中心主任)再次擔任活動主持人,受邀講者則包括余海禮博士(中央研究院物理研究所研究員)、高涌泉教授(臺灣大學物理系教授)、周先捷教授(臺灣大學哲學系助理教授)與潘怡帆教授(東海大學哲學系助理教授)。

〈時間與時間意識〉論壇於 2022 年 4 月 16 日舉行。圖/LMPST Taiwan

經驗中的時間與物理中的時間

在不同的視角之下,時間似乎會有不同的樣貌。在開場的引言之中,鄭會穎教授(政治大學哲學系助理教授、現象學研究中心主任)談到了兩種對時間的視角日常經驗的視角物理學的視角。在日常生活之中,我們似乎能感受到時間正在不斷流動,也能感受到時間由過去趨向未來的變化。然而,這些在日常生活中感受到的時間現象,是否真的符合當代物理學理論,特別是愛因斯坦的相對論?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果答案是否定的,那日常經驗與物理學便產生了互相衝突的時間觀念。這種潛在的衝突,不但是哲學家研究時間的一大難題,也將是本次論壇的主題。

在鄭教授介紹了主題之後,潘怡帆教授(東海大學哲學系助理教授)便為討論提供了歷史面向。在時間理論的歷史中,有一場重要的會議:1922 年 4 月 6 日的巴黎會議。在這場會議之中,法國知名哲學家柏格森 (Henri Bergson,1859—1941) 與愛因斯坦進行了對話。柏格森主張,愛因斯坦的理論雖然帶來了時間測量方法的洞見,卻未能真正告訴我們:時間究竟是什麼?

潘教授解釋了柏格森採取這種立場的原因:「時間就是人,有人才有時間」。某種時間現象的意義為何,取決於人在那樣的時間現象中以什麼方式行動。因此,如果科學理論不再從行動者的角度來探究時間,而企圖將時間理解為某種可測量的物理量,那麼那種科學理論就忽略了時間的根本面向。柏格森對於愛因斯坦理論的疑慮,再次表明了生活中的時間經驗與物理中的時間理論之間,可能存在衝突。

潘怡帆教授(東海大學哲學系助理教授)為討論提供了歷史面向。圖/LMPST Taiwan

狹義相對論與時間

在潘教授闡釋了柏格森的觀點之後,高涌泉教授(臺灣大學物理系教授)把話題一轉,轉向巴黎會議中的另一主角——愛因斯坦。高教授介紹了物理學從馬克斯威爾(James Clerk Maxwell,1831—1879)的理論到狹義相對論的發展,藉此分析狹義相對論框架下的時間觀。

在馬克斯威爾的理論中,任何物體存在於什麼時間、處在空間中的什麼位置,都必須由一個絕對的座標系所來衡量,也就是以太座標。那麼,要決定任一物體運動的速度,就必須考量該物體與以太座標原點之間的速度差異。

就此而言,任一物體的速度對於一個觀察者而言,都是相對速度:假若任一物體的客觀速度,都是一個相對於以太座標原點的數值,那麼,對於一個觀察者來說,一個物體的速度,自然是取決於觀察者本身的客觀速度與被觀察的物體的客觀速度之間,兩者之間的相對差異。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以太座標本身固然產生了不少問題,例如那個座標到底為何?然而,更為重要的是,物理學家發現,不管對於任何速度的觀察者而言,光速都是恆定的,不是一種相對於觀念者自身速度的相對速度。面對這個難題,愛因斯坦提出了他的解決方法,即放棄以太座標作為絕對座標,轉向相對論的時間觀。高教授透過「位移除以時間」的速度定義,以簡明易懂的方式說明這種轉向背後的思路:「如果有某種速度是絕對的,那麼既然位移是相對的,那麼只有讓時間是相對的」。

高涌泉教授(臺灣大學物理系教授)介紹了物理學從馬克斯威爾的理論到狹義相對論的發展。圖/LMPST Taiwan

一旦時間被視為相對的現象,兩件事情發生時間的同異就沒有了絕對的標準。如果兩個觀察者以不同的速度移動,時間相對於這兩個觀察者的流動速度就不相同。舉例來說,即便兩個人在校對時間之後,考慮「一年後」這一特定時間點,只要這兩人接下來的移動速度不同,「一年後」這時間點相對於兩人的來臨時刻就不相同。高教授指出了這對物理學時間觀的意涵:「時間再也沒有絕對性」,反而是「每個人都有他自己的時間」。因此,物理學從馬克斯威爾理論到狹義相對論的發展,也標誌了物理學時間觀的重大轉變。最後,高教授為討論留下了空間:各種有關時間的哲學理論能否成功,取決於它們能否為上述物理現象提供合理的解釋。

廣義相對論與時間

高教授對狹義相對論進行了分析,余海禮博士(中央研究院物理研究所研究員)則著眼於廣義相對論的理論意義。余博士指出,狹義相對論並非完整的理論,因為完整的理論必須是一種動力(dynamical)理論──它必須說明在特定的起始條件(initial data)之下,物理系統的狀態將會如何作用和改變。

舉例來說,牛頓力學的原則即捕捉了物理系統的狀態改變。一旦某物體最初所處的位置與狀態確定下來,牛頓力學的原則就可以預測同一物體在之後任一時刻所在的位置。若要說明狹義相對論的限制,就必須進一步討論它與廣義相對論之間的關係。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
余海禮博士(中央研究院物理研究所研究員)著眼於廣義相對論的理論意義。圖/LMPST Taiwan

按照余博士的觀點,廣義相對論的任務是「描述各種可能時空的動力變化。給你任何一種起始條件,你都可以研究一下它的動力變化長得怎麼樣。」相較之下,狹義相對論的任務僅為提供均速座標之間的變換;而且,它僅適用於特定種類的時空,也就是所謂的「閔考斯基空間」(Minkowski space)

余博士認為,這種空間「在廣義相對論的角度來看,沒有任何的特殊性、沒有任何的地位,或者沒有任何的基本性、本質性」。以演講現場存在着一張椅子的空間為例,余博士指出這已經不是閔可夫斯基空間。即便拋開這些較為特異的例子,僅僅關注我們實際所處的宇宙,當今主流的宇宙學模型也非基於閔考斯基空間的模型。縱然如此,時間的流動速度受運動狀態影響的現象依舊存在。這說明了探討時間的根本(fundamental)特性,並為時間提供一個完整(complete)和根本(fundamental)的解釋的時候,我們不應受限於狹義相對論跟作為特例的閔考斯基空間,而應該採取廣義相對論的框架。

對於時間問題,廣義相對論提供了怎麼樣的洞見?余博士首先分析了邏輯學家哥德爾(Kurt Gödel,1906-1978)的觀點。哥德爾的論證指出:在某些廣義相對論的解之下,物體即便不以超越光速的方式運動,也能夠回到過去。如果回到過去在邏輯上是可能的,則時間應該不存在。另一方面,哥德爾也不樂於接受狹義相對論中同時性由運動狀態決定的結果。隨著時間流動,許多原本不存在的事物將轉為存在;但事物存在與否,理應是完全客觀的事。既然時間的次序對應於存在的次序,時序也就該是一件完全客觀的事。

哥德爾的論證指出:在某些廣義相對論的解之下,物體即便不以超越光速的方式運動,也能夠回到過去。圖/Wikipedia

在這樣的脈絡下,余博士問道:在廣義相對論中,有沒有任何物理量能夠被視為普世時間,其中不存在不同觀察者之間的差異?余博士提出了一個答案:「宇宙透過自己的體積(volume)的膨脹而產生的時間」,也就是說,「空間大小的變化,蘊含着時間的資訊」。時間作為空間的變化,是作為一個因果序列而存在;所有與時間相關的資訊,都被包含在這個因果序列之中。而這個時間作為因果序列的看法,亦正好與德國哲學家康德的觀點相形。余博士提出他的一個核心觀點:嚴格來說,時間比空間更為基本,因為空間透過時間才得以生成。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

作為排序的時間

就物理學的視角來看,時間或者相對於觀察者、或者可由更根本的事物解釋。這是否代表時間說到底是種幻象?緊接發言的周先捷教授(臺灣大學哲學系助理教授)指出:要回答這個問題,首先必須考量在不同的時間觀念底下,時間究竟有哪些不同的特性;而時間是否幻象,則取決於我們在討論哪種時間觀念,以及那種時間觀念所定義下的時間特性是否存在。

周先捷教授(臺灣大學哲學系助理教授)指出:考量在不同的時間觀念底下,時間究竟有哪些不同的特性;而時間是否幻象,則取決於我們在討論哪種時間觀念,以及那種時間觀念所定義下的時間特性是否存在。圖/LMPST Taiwan

我們可以先問:日常生活的時間觀有哪些要素?這個問題可以透過分析日常生活中對於時間的經驗來回答。首先,在日常經驗中,「現在」這個時刻具有任何其他時刻都不具有的特殊地位。其次,這個特殊時刻不對應任何固定的事件;當發生在這個時刻裡的事件被另一事件取代,後者就成了發生在「現在」的事件。周教授以「動態的時間觀」稱呼具備這兩個要素的時間觀。

以動態的時間觀為基礎,可以有多種的時間理論。其中一種理論是「現在論」(presentism)。就現在論者看來,為了闡明「現在」這個時刻的特殊之處,我們應當宣稱只有這個特殊時刻裡的事物才存在。過去的事物、未來的事物都不在「現在」這個時刻裡,因此都不存在。

「移動聚光燈論」(the moving spotlight theory)的倡議者則認為,「現在」的特殊之處應該用其他方式來說明,存在的事物不會因為沒被看到就消失。用聚光燈的比喻來說,被照到與沒被照到的事物間只有看不看得到的差異,沒有存在與否的差異。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,當討論時間的時候,「現在」這個時刻裡的事物就有如聚光燈所照射的事物,因被照到而顯得特殊。相較之下,過去的事物、未來的事物則沒有聚光燈照射,但它們就如現在的事物般真實存在。

不管這些動態的時間觀如何發展,都面臨一個棘手的問題:它們有可能不容於物理學,因為它們強調了「現在」這一時刻的特殊之處。若要發展合乎物理學的時間理論,那我們可以回到一開始的問題:有沒有其他時間觀念,其定義下的「時間」可以作為討論的出發點?一種作法是採取余博士所提及的、以空間與因果關係為基礎的時間觀。然而,周教授考慮了一種更為簡單的時間觀,是任何立場的論者都不應該反對的:時間「就是一個時間線」,或者說「就是一個排序」。換句話說,一旦宇宙所處的各種狀態給定之後,任何排列這些狀態先後順序的方式,就是一種時間。

這樣的時間觀雖然簡單,卻清楚指明了為何時間不能單純只是一種幻象。要建立任何科學理論,科學家都必須訴諸實驗所提供的證據。然而,任何實驗都有進行的順序。如果沒有按照特定順序執行的實驗,也就沒有被證據檢驗的科學理論。周教授在此強調:否定了排序的可能,就是否定了實驗的可能。在「時間作為排序」的時間觀下,這也就是說:沒有時間,就沒有實驗。那麼,時間就不能單純只是一種幻象。任何人提出時間僅是幻象的理論,就等於是宣稱自己的理論不可能得到實驗上的支持。

在討論時間議題時,周教授的說法指明了一種有效的討論方式:唯有透過釐清所使用的時間觀,我們才有可能真正回答「時間真實與否」的問題。那麼,除了上述那種最簡單的排序觀,是任何討論時間的論者都不應該反對的,時間有沒有可能有更多特質?換句話說,有沒有一些其他更精深的時間觀念可能為真?周教授為這問題留下了空間,也為本次論壇提供了可供反思的結尾。

〈時間與時間意識〉論壇於 2022 年 4 月 16 日假郵政博物館視聽室舉行。影/Youtube
文章難易度
所有討論 4
臺灣邏輯、方法論、科學與科技哲學學會_96
3 篇文章 ・ 12 位粉絲
臺灣邏輯、方法論、科學與科技哲學學會(The Taiwan Association for Logic, Methodology and Philosophy of Science and Technology, LMPST Taiwan)為國內非營利法人團體,主要幹部均為國內教授或研究員。本會以促進科學型的哲學研究為宗旨,工作包括國內專業學術工作、跨領域學科交流及哲學普及推廣。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
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

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
193 篇文章 ・ 297 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

一起來
4 篇文章 ・ 0 位粉絲

2

2
3

文字

分享

2
2
3
「意識」是什麼?人們已經找到答案了嗎?
PanSci_96
・2023/11/26 ・6000字 ・閱讀時間約 12 分鐘

「意識」是什麼?

直到現在,仍是宗教、哲學、心理學、神經科學都還無法解答的難題。

但是今年, 2023 年,一場來自神經學家與哲學家對於「意識」解釋的賭注,在經過長達 25 年的研究後,終於要畫下句點了嗎?到底是誰贏了?對自己頭上頂著的大腦,我們又了解多少了?

25 年前,一場圍繞「意識」之謎的賭局

1998 年,神經科學家克里斯托夫・科赫(Christof Koch)和哲學家戴維・查爾莫斯(David John Chalmers)打賭一箱葡萄酒,如果 25 年後,人們已經能清楚地解釋意識背後的神經機制,那麼就是科赫贏了。反之,如果還是未能解答意識之謎,就是查爾莫斯贏了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但在揭曉勝者之前,我們要先來談談一個最基本的問題,「意識」到底是什麼?首先我們要先定義清楚,因為在中文中,意識指的可能是一個人的清醒狀態、也可以是對內在自我的一種感知、又或是包含感知、情緒、思考等等的一種總和、又甚至可以是指在精神分析理論中與前意識和潛意識的比較。

若要深入探討意識定義的發展以及不同的哲學論點,那真的不做個三十集做不完,在這集的時間內,就讓我們把重點放在感質(Qualia)的相關概念。感質,指的是個人直接體驗的主觀感受,被認為無法通過客觀描述或第三人稱觀察來完全理解或解釋。我們感知世界的方式、感受事物的質感、觸覺、視覺、聽覺、嗅覺等等都是屬於感質。

感質,指的是個人直接體驗的主觀感受,被認為無法通過客觀描述或第三人稱觀察來完全理解或解釋。圖/wikipedia

舉一個例子。若是把一顆紅蘋果放在大家面前,詢問蘋果這是什麼顏色,相信大家應該都會說這是紅色。然而,雖然科學能解釋紅色是因為有波長約 620 到 750 奈米的光,刺激到視網膜的錐細胞,產生一連串的神經反應,最後形成大腦的表徵,但卻無法解釋我們對紅色的主觀感受是怎麼形成的。

哲學家們也常思考,你看到的紅色,和我看到的紅色究竟是否一樣,是否有可能我眼中的紅其實是你眼中的綠。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

舉另一個例子,這件數年前爆紅的衣服,你覺得是藍色與黑色相間,還是白色與金色相間呢?

另外,像是這張圖究竟是兔子還是鴨子?

圖/wikipedia

這張圖究竟是狗還是小女孩?

明明有張客觀的圖片存在,每個人的主觀感受卻有不同的答案。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「困難問題」(Hard problem of consciousness)是找不到答案的問題?

在意識賭局中的哲學家戴維・查爾莫斯,就提出感質以及主觀經驗為什麼(why)存在以及如何(how)產生是所謂的困難問題(Hard problem of consciousness),相較於簡單的問題是討論意識相關的功能和行為,困難問題涉及意識的經驗(現象、主觀),是沒辦法客觀觀察測量。也就是這個問題,是沒有答案的。

舉一個屬於困難問題的例子,明明都只是大腦的神經在放電,為何某些神經放電後會導致飢餓感而不是其他感覺,譬如口渴?他認為即使沒有飢餓這種「感覺」,飢餓衍伸出的行為,例如進食,也可以發生。因此這些產生的感覺,無法單純簡化由大腦等物理系統解釋。

圖/giphy

然而,困難問題的說法其實也存在爭論。根據 2020 年哲學期刊文章的互動式學術資料庫 PhilPapers 的調查, 29.72% 的受訪哲學家認為難題不存在,而 62.42% 的受訪哲學家認為難題是一個真正的問題。

也有一群神經科學家們雖然接受困難問題的存在,卻也認為困難問題未來可以被解決,又或是被證明這不是一個真正的問題。並開啟了他們對於意識相關神經區(neural correlates of consciousness)簡稱 NCC 的研究發展,試圖找到足以產生意識的最小神經集合。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
精神科學家開啟對於意識相關神經區(neural correlates of consciousness)簡稱 NCC 的研究發展,試圖找到足以產生意識的最小神經集合。圖/PanSci YouTube

但 NCC 的研究被認為最多只能找到神經反應與意識的相關性,解決的仍然只是簡單問題而非困難問題。為了突破 NCC 本身的限制,人們又開始轉往重視意識理論(theories of consciousness (ToCs))的發展。希望透過意識理論來超越以 NCC 為基礎的方法論,轉向提供更具解釋性見解的意識模型。

在意識模型這邊還在爭論不休,讓我們先把鏡頭換到神經學家這一邊。

研究科技進步,為意識研究帶來哪些幫助?

面對意識這個艱難的大哉問,克里斯托夫・科赫當初怎麼那麼有自信,敢發起這個看起來勝算就不大的挑戰呢?有那麼愛喝嗎?

1998 年,年輕有為的克里斯托夫・科赫已經是加州理工學院的助理教授,並和生命科學領域大咖中的大咖弗朗西斯・克里克,合作研究意識這個主題。沒錯,就是和華生一同發現 DNA 是雙股螺旋結構的克里克。除此之外,克里斯托夫還擁有物理的碩士學位,擁有跨領域的知識,讓他更加相信透過實證的方式,能找到意識的神經機制。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
克里斯托夫・科赫合作研究意識的對象便是與華生一同發現 DNA 是雙股螺旋結構的弗朗西斯・克里克。圖/PanSci YouTube

當時有許多大腦研究的技術蓬勃發展,像是功能性磁振造影(fMRI)已經獲得廣泛使用,使得科學家們能在對象進行活動或是受外界刺激時,同步從大腦血氧濃度的變化來推斷神經反應。

此外,光學遺傳學(optogenetics)技術也在那個時期開始萌芽,這讓研究者能用極佳的時間解析度來調控特定的大腦神經元,並藉此解碼大腦的秘密。舉例來說,現在的光學遺傳學能讓科學家們鎖定小鼠的特定神經細胞,並在小鼠頭上裝上 LED 光纖,只要開啟 LED 的光刺激,那些特定神經細胞就會興奮或抑制。藉由觀察小鼠行為的變化,就能了解不同行為表現是由哪些神經元所調控。

現在的光學遺傳學能讓科學家們鎖定小鼠的特定神經細胞。圖/PanSci YouTube

厲害的是,在 1979 年光學遺傳學的技術還未誕生前,克里克就認為如果想要了解大腦的運作,精準控制大腦中一種類型的所有細胞是非常重要的,而若想要有極佳的時間和空間精細度,必須使用光的技術,這與後來光學遺傳學的發明不謀而合。

有了這些科技加持,長達 25 年對於意識的賭注也即將來到結局。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

所以,誰贏了賭注?

2023 年 6 月 23 日,在科學意識研究協會的年會上,揭曉了這長達 25 年的賭局。神經科學家克里斯托夫・科赫(Christof Koch)最終承認,目前還不能解釋大腦的神經元是如何產生意識,並買了一箱好葡萄酒(1978 Madeira)給哲學家戴維・查爾莫斯(David John Chalmers)實現諾言。

克里斯托夫・科赫最終承認,目前還不能解釋大腦的神經元是如何產生意識,並買了一箱好葡萄酒給戴維・查爾莫斯。圖/PanSci YouTube

當然,這不是說意識的來源永遠沒有解答,只是當初賭局設下的 25 年時限到了。實際上到了 2018 年,他們兩位根本都忘了這場賭局,直到一位科學記者佩爾・斯納普魯德重新提及這個話題,才讓大家重新想起。

恰巧那個時間點,克里斯托夫・科赫和戴維・查爾莫斯都參與了鄧普頓世界慈善基金會支持加速意識研究的大型項目。該計畫建立一系列意識理論的「對抗性」實驗,希望透過讓兩個或多個持相反觀點的競爭對手共同合作研究,來挑戰各種意識假設。

意識理論的百家爭鳴

而其中包含兩個著名的意識理論,全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))和整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT))。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))。圖/PanSci YouTube

全局工作空間理論(Global Workspace Theory (GWT))的概念,最早是由認知科學家伯納德・巴爾斯和斯坦・富蘭克林在 1980 年代晚期提出。他們認為意識的產生就像是劇場聚光燈一樣,當這個意識劇場透過名為選擇性注意的聚光燈在舞台上照出內容,我們就會產生意識情境。這聚光燈的投射也代表著全局工作空間,只有當感官輸入、記憶或內在表徵受到注意時,它們才有機會整合成為全局工作空間的一部分,被我們主觀意識到。而我們的行為決策,也是透過這個全局工作空間整合訊息,並分配到其他系統所產生。目前認為全局工作是發生於大腦前方的前額葉區域。

整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT))。圖/PanSci YouTube

與全局工作空間理論打對臺的,是整合資訊理論(Integrated Information Theory (IIT)),最早由朱利奧・托諾尼(Giulio Tononi)在 2004 年提出。這理論認為,意識背後是有數學以及物理為基礎的因果關係。應該先肯定意識的存在,再回推尋找其背後的物質基礎,並認為主觀意識是由客觀的感覺經驗產生的。克里斯托夫・科赫就是此理論的擁護者,他進一步認為,意識背後的那個神經機制,就存在於大腦後方後皮質熱區(Posterior cortical hot zone),包括頂葉、顳葉和枕葉的感覺皮質區域。

讓我們稍微總結一下兩者差異:

全局工作空間理論——

  • 意識只能透過訊息投射到一個稱做「全局工作空間」之後才能呈現
  • 訊息本身不會形成意識
  • 訊息要被注意到才會產生意識

整合資訊理論——

  • 意識存在
  • 產生的關鍵是需要將大腦處理感覺的皮質區域訊息整合

然而,經過六個獨立實驗室的研究,雖然有較多的證據支持整合資訊理論,但兩個理論都存在缺陷和質疑,直到目前都尚未有明確解答能解釋意識的神經機制,這也讓克里斯托夫・科赫大方承認自己輸掉了這 25 年的賭局。

隨著科學測量技術的演進以及越來越多的研究進展,有一些神經科學家認為意識理論即將崛起,目前的狀態只不過是一種研究過渡期。科學哲學家托馬斯・庫恩(Thomas Kuhn)將這種過渡期以「前典範式」(preparadigmatic science)來形容,認為一門不成熟的科學在成熟前,會面臨相互競爭的思想流派並各說各話。就像是當初達爾文提出演化論的物競天擇前有拉馬克主義、災變論與均變論來試圖解釋物種起源一樣。

下一場賭約?

雖然這次的打賭由戴維・查爾莫斯獲得一勝,但克里斯托夫・科赫在今年加倍賭注,認為下一個 25 年他一定會贏。到時候克里斯托夫已經 91 歲,戴維 82 歲了。

大家別擔心,這一集是會員共同選出來的題目, 25 年之後,我們也會再為各位泛糰做一集討論賭局的結果。

最後也想問問大家, 25 年之後,你賭這場對決會是誰贏呢?

  1. 我壓在克里斯托夫・科赫身上,我們一定能解開意識之謎
  2. 我賭戴維・查爾莫斯,意識這個問題,可能很難用科學來解釋
  3. 在那之前, AI 可能都已經有意識了,直接問 AI 還比較快

趕快來留言吧,記得 25 年後要回來看啊!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

所有討論 2
PanSci_96
1214 篇文章 ・ 2061 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。