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蟲洞時光機(西元1988年)

時報出版_96
・2013/02/04 ・712字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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索恩(Kip Stephen Thorne,西元1940年生)

 

我們在〈時光旅行〉一節中曾談到,戈德爾在1949年所提出的時光機必須運作在巨大的尺度上—整個宇宙都必須隨之旋轉才行得通。而另一種完全不同的時光機,則是索恩和他的同事,在一篇1988年發表於著名的《物理評論通信》(Physical Review Letters)上的文章中所提出的,從次原子量子泡沫(quantum foam)中所產生的蟲洞(Wormhole)。他們在論文裡描述了一個連接了存在於不同時間下的兩個區域的蟲洞,因此蟲洞可以連結過去與現在。由於經由蟲洞的旅行幾乎是發生在一瞬間,因此我們可以藉由蟲洞來回到過去。索恩的時光機與威爾斯(H. G. Wells)的時光機不同,需要極為龐大的能量,而我們的文明在未來的許多年內都不可能產生如此龐大的能量。然而索恩樂觀地在論文中提到:「一個夠先進的文明,都可以藉由單一的蟲洞建造出回到過去的時光機。」

把宇宙中無所不在的量子泡沫中的微形蟲洞放大,也許可以產生索恩的時光蟲洞。把蟲洞放大後,可以把其中一端短暫地加速到非常高的速度,或是把其中一個開口移到重力非常大的天體旁,然後回頭。這兩種方法都可以讓蟲洞移動過的那一端因為時間延遲而經歷較短的時間(跟相對於實驗室座標從未移動過的那一端相比)。例如放在加速過那一端的時鐘顯示的時間可能是2012,而靜止不動那一端的時鐘顯示的可能是2020。如果你跳進2020年那一端的蟲洞,你將會回到2012年。但是你無法回到蟲洞時光機建造之前的日期。建造蟲洞時光機的困難之一是為了讓蟲洞保持開啟,需要大量的暗能量(dark energy,例如具有負質量的稀罕物質),而我們現今的科技仍無法製造出這種物質。

摘自《物理之書》,由時報出版

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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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

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  • 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。

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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操縱蟑螂機器人、平行宇宙存在?看獵奇動畫學科學——腦洞大開的成人向動畫《瑞克和莫蒂》
活躍星系核_96
・2020/08/29 ・2115字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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  • 文/Staceylwj

在 Adult Swim 甫釋出第五季預告片段的成人向動畫《瑞克和莫蒂》(Rick and Morty),一直都是影迷心中數一數二獵奇又富含哲學思考的科幻動畫,劇情描述瑞克 (Rick),一個瘋癲的天才科學家,與他的金孫莫蒂 (Morty) 在不同宇宙甚至不同時空穿梭所發生的奇幻故事。

圖/flickr

自 2013 年首播至今共四季 41 集,每一集只有短短不到 30 分鐘,內容卻橫跨了穿梭蟲洞、多元宇宙論、人工智慧……等諸多科學議題,以下我們來一一探討。

平行宇宙的存在?C-137 號宇宙

早在第一季第六集中,瑞克意外把人類們都變成怪物之後,帶莫蒂來到另個有著他們分身的正常星球,就已經道出「他們原先生活的世界並不是唯一的世界」此情節設定,在後續的集數中也再次提到相同的世界觀。

我們正在觀賞的這一組瑞克和莫蒂其實是來自 C-137 號宇宙,而這也是多重宇宙論的基本概念。意指在我所存在的這個宇宙之外,還有無窮盡個宇宙,每一個宇宙都有一個我,在同一時間裡,每一個我做出不同的選擇導致不同的宇宙同時發生不同的結局。

很可惜到目前為止,多重宇宙論仍是個未被證實的假說,科學家尚未實際觀測到其他宇宙的存在,但可能也因此使其更加受到廣大科幻迷的喜愛。

萬能傳送槍開啟蟲洞

只要是《瑞克和莫蒂》的劇迷絕對知道,支撐好幾季劇情瑞克用來穿梭時空的法寶就是他隨身攜帶的傳送槍,只要使用傳送槍,就能開啟一道綠色漩渦,走進去便能到達任何你想到達的宇宙或時空,這樣的概念近似科學理論中的「蟲洞」。

要介紹蟲洞,首先得先說明已經觀測到被證實存在的黑洞,成因來自衰老的恆星,經過長時間的核融合反應後元素消耗殆盡,恆星的質量不得不向內墜落,形成密度極大、體積極小且具有強大引力的黑洞。

與科學上計算出可能存在的白洞有著相反特性,而科學家認為在黑洞與白洞的中心(也就是奇異點)產生連結時,便會形成蟲洞。理論上,蟲洞有進行瞬間移動或是時間旅行的可能性。也因此可見大量的小說影劇作品採用蟲洞來做為時空旅行的取材。

操縱蟑螂機器人

第三季的第三集中,瑞克一開場就把自己變成一根醃黃瓜,意外滾落下水道後遇到了蟑螂危機,卻反咬蟑螂一口,利用舌頭刺激蟑螂的大腦操縱了牠的肢腳。看似不可能的情節,但在生物界卻是有可能發生的。實際上蟑螂沒有像動畫中那樣的「大腦」,取而代之的是散佈在頭胸腹的三處神經叢組織,也因此實驗發現缺少了頭部的蟑螂,仍可以存活數週。

而在真實的生物世界,提到操縱蟑螂,就不能不介紹一種體型比蟑螂小上許多的扁頭泥蜂(Ampulex compressa)。雌蜂會在蟑螂身上刺上兩針,使其變成「蟑螂殭屍」,最後就成了幼蟲的美味大餐。第一針刺向胸部神經節部分,能迅速暫時癱瘓蟑螂;第二針則是針對頭部,毒液流入神經節後,有麻痺蟑螂反射性逃離的效果。

最後扁頭泥蜂會將不會反抗的「蟑螂殭屍」帶入巢穴,並在其表面產卵,待幼蟲孵化,蟑螂就是牠們的成長養分。

那變成殭屍的蟑螂還有救嗎?好奇的科學家曾做實驗,將類似章魚胺的神經傳導物質注射致蟑螂殭屍頭部,竟然又成功恢復牠們的行動能力。看來,影片中瑞克控制蟑螂的獵奇想法並非異類。

人工智慧將會毀滅它的開發者——人類?

在第一季第五集中,瑞克為了應付家人的煩人要求,拿出了一個米西盒(Meeseeks Box),只要按下上面的按鈕,就會變出一個藍色人形的米西先生(Mr. Meeseeks),說出你的願望,米西先生會幫你達成並在完成使命後消失。

這個簡單的設定讓人聯想到現代人類為了複雜工作而開發的人工智慧(artificial intelligence),而故事中的角色對米西先生許了一個達成不了的願望,使得米西先生拚盡全力卻無法完成,近乎崩潰之時決定把提出要求的人消滅,才能安心離開。

這讓我們不禁聯想到若有一天 AI 完全掌握和人類相符的各項能力,甚至超越人類,是否會直接或間接地導致開發者的毀滅呢?類似的擔憂在科學界也曾被已故的天文物理學家霍金提出,在一次英國電視台BBC的採訪中,霍金提到人工智慧威脅人類生存:「AI 會以越來越快的速度迅速發展與自我改良,而人類受限於生物演化速度較慢,會導致無法與之競爭而被超越。」

看完了以上幾點介紹後,是不是覺得欣賞《瑞克和莫蒂》的時間沒有白白浪費了呢?若你還沒看,恭喜你,還有精彩的影集讓你邊看邊學科學;若你已面臨劇荒,也別著急,《瑞克和莫蒂》已在 2018 年宣布由Adult Swim平台續訂 70 集,也就是說,扣掉目前已播映的第四季,還有 60 集腦洞大開的獵奇故事指日可待囉!

參考資料:

  1. Adult Swim
  2. The Science of Rick and Morty: The Unofficial Guide to Earth’s Stupidest Show, Matt Brady
  3. From Brain Control to Multiverses, ‘Rick and Morty’ Gets Some Science Right, livescience
  4. The real science behind Rick and Morty, NewScientist
  5. 誰在操控蟑螂殭屍?,科學人雜誌
  6. Multiverse, Wikipedia
  7. Wormhole, Wikipedia
  8. Artificial intelligence, Wikipedia
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia