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該怎麼知道黑洞長怎樣?塑造《星際效應》裡的「巨人」形象 ─《星際效應》

azothbooks_96
・2015/05/22 ・6517字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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黑洞不會發光,因此想看到「巨人」,只能從它如何影響其他物體發出的光來觀測。《星際效應》片中出現的其他物體有:一個吸積盤(第九章)和它棲身的星系,以及星系中的星雲、多采多姿的星場。為求簡單起見,這裡讓我們只把恆星納入討論。

螢幕截圖 2015-05-22 13.10.15

「巨人」在這個星場上投落一個黑影,還偏折了每顆恆星發出的光線,扭曲了照相機鏡頭見到的星空樣式。這種扭曲現象就是第三章討論過的重力透鏡效應。

圖8.1 顯示星場前方有一顆快速自旋的黑洞( 讓我們稱它為「巨人」)。從它的模樣看來,你應該是從「巨人」的赤道面上進行觀測。

「巨人」的陰影是一片全黑的區域。緊貼著陰影外緣,有一道非常細窄、被稱為「火環」的星光環圈。這裡我做了一點強化處理,使暗影邊緣更為明顯。

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圈環之外,我們看到一片繁密星空呈同心殼層的圖樣─重力透鏡效應造成的結果。

當照相機環繞「巨人」軌道運行,恆星場看起來也隨之移動。這種運動與透鏡效應結合,便造成光線急遽變動的圖樣。有些區域的星光以高速川流而過,另有些區域的星光緩緩地飄移,還有些區域的星光滯留不前。參見本書網頁

我會在本章內說明這所有的特徵,從陰影和它的火環開始,接著會說明《星際效應》片中的黑洞影像是如何製作出來的。

我在本章描繪的「巨人」影像是一顆快速自旋的黑洞,因為它必須快速自旋,才會產生「永續號」隊員所經歷的(相對於地球的)時間極大量流失現象(第六章)。

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然而,如果「巨人」高速自旋,陰影的左緣就會出現扁平現象(圖8.1),恆星流的軌跡和吸積盤也會出現某些怪異的特徵,可能會因此令廣大觀眾困惑不解,因此克里斯多福.諾蘭和保羅.富蘭克林決定:讓電影中的「巨人」影像呈現較小幅度的自旋─最大值的六成。參見第九章最後一段。

警告:下面三個小節的內容有可能相當耗費腦力,但各位也可以選擇略過,不會因此跟不上本書其餘的篇幅。不用擔心!

黑洞的陰影和外緣火環

光殼(第六章)是產生「巨人」陰影和周邊火環的關鍵要素。圖8.2中,光殼是環繞「巨人」的紫色區域,含括險些受困之光子的軌跡(光線),如右上方的小圖所示。

螢幕截圖 2015-05-22 13.10.53

假設你位於黃點的位置。白色光線A、B與其他同類光線會為你帶來火環的影像,黑色光線A和B則為你帶來陰影邊緣的影像。舉例來說,白色光線A是從距離「巨人」很遠的某顆恆星發出的,光線向內行進,困陷在「巨人」赤道面上之光殼的內緣,在那裡被空間旋轉帶動,一圈圈地飛繞,然後才逸出並進入你的眼簾。

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同樣標示為A的黑色光線發自「巨人」的事件視界,它向外行進,同樣困陷在光殼的內緣,在那裡繞了一圈又一圈,之後才逸出並與白色光線a 一併傳抵你的眼簾。白色光線為你帶來細環的片段影像,黑色光線則帶來陰影邊緣的片段影像。光殼是促使兩種光線合併行進的功臣,還能引導它們朝你的雙眼射來。

黑、白色光線B的情況也雷同,但它們是困陷在順時針旋轉(奮力對抗著空間旋轉)的光殼之外緣,而光線A是困陷在逆時針旋轉(被空間旋轉帶動)的光殼之內緣。

圖8.1 的陰影左緣出現扁平現象,右緣則變得渾圓,這是由於(左緣的)光線A是發自光殼內緣非常接近視界的位置,而(右緣的)光線B是發自光殼外緣的非常外側之處。

圖8.2 的黑色光線C和D起點位於視界,向外行進並困陷在光殼的非赤道軌道上,然後逸出受困軌道,射向你的眼簾,也把位於赤道面外側之陰影邊緣的片段影像傳送過來。光線D的受困軌道如右上方小圖所示。

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白色光線C和D(圖中未顯示)都來自遙遠的恆星,和黑色光線C和D一起受困,然後一同向你的雙眼射來,一併帶來火環的片段影像和陰影邊緣的片段影像。

不自旋黑洞的透鏡效應

下面要說明位於陰影外的恆星在重力透鏡影響下呈現的模式,了解它們在照相機移動下表現的流動形態。首先讓我們從不自旋黑洞開始,選一顆恆星檢視它發出的光線(圖8.3)。

螢幕截圖 2015-05-22 13.11.04

恆星發出兩束光線向照相機行進。它們在黑洞翹曲空間各盡己能沿著最筆直路線行進,但都受到翹曲作用影響而偏向彎折。一束偏折光線繞過黑洞左側向照相機射來;另一束則從右側繞過來。兩束光線都將自身的恆星影像傳給照相機。照相機鏡頭接收到的兩個影像如圖8.3 小圖所示。我用紅圈將兩個影像框起來,將它們與照相機可見的其他恆星區隔開來。

注意:和左方的恆星影像相比,右方影像和黑洞陰影之間的距離近上了許多。

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這是由於它的偏折光線是從比較靠近黑洞事件視界的地方通過所致。其他恆星也都在這張照片中出現了兩次,分別位於黑洞陰影的兩側。你能不能找出其中幾對?

照片中可見黑洞的陰影區,所有朝這裡射去的光線,都無法進入照相機鏡頭;參見上圖標示「陰影」的三角形區域。所有「想要」進入陰影區的光線,都會被黑洞逮住並吞噬。

當照相機沿著軌道向右運行(圖8.3),鏡頭所見的星光形態也隨之改變,如圖8.4 所示。

螢幕截圖 2015-05-22 13.11.16

這張圖裡有兩顆恆星被特別標示出來。一顆用紅圈框起來(就是圖8.3 中那一顆)。另一顆用黃色方框標示。每顆恆星我們各看到兩幅影像:一幅位於粉紅圓圈之外,另一幅位於圈內。我們稱這道粉紅色圓圈為「愛因斯坦環」(einstein ring)。

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當照相機向右移動,影像就沿著黃色和紅色曲線移動。愛因斯坦環之外的恆星影像(讓我們稱它們為「主影像」)移動方式一如預期:從左到右平順行進,但移動時會偏離黑洞。(各位能不能想出來:為什麼不是朝向黑洞而是偏離?)

然而,位於愛因斯坦環內的「次級影像」,卻以出乎意料的方式移動:它們看來是從陰影右緣出現,在陰影和愛因斯坦環之間的環形區域向外移動,往左繞過陰影,然後回頭朝陰影邊緣下行。

回頭再看一次圖8.3 上方圖,你就可以明白了。

右方的光線從黑洞近處通過,因此右方恆星影像會位於黑洞陰影的近處。當照相機早先比較靠近左方時,右方光線必須從更靠近黑洞的區域通過、更大幅地彎曲,才能射抵照相機,因此右方的影像非常靠近陰影的邊緣。相對地,在稍早之前,左方光線是從離黑洞相當遠的區域通過,因此它近乎筆直,產生的影像也離黑洞相當遙遠。

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現在,如果你準備好了,請往下完整地想一遍這些影像的後續運動,如圖8.4 所示。

快速自旋黑洞的透鏡效應:以「巨人」為例

「巨人」以非常高速的自旋帶動空間旋轉,改變了重力透鏡效應。圖8.1(「巨人」)的星光形態和圖8.4(不自旋黑洞)的星光形態看來有點不同,但流動模式的差別還更大。

螢幕截圖 2015-05-22 13.11.59

就「巨人」來說,流動模式中(圖8.5)可以看到兩個愛因斯坦環,如粉紅色曲線所示。外環外側的星群朝右流動(例如,沿著兩條紅色曲線移動),圖8.4 的不自旋黑洞也出現相同情況。不過,空間的旋轉將星群流動匯聚成沿著黑洞陰影後緣分布的高速窄小條帶(strip),而這些條帶在赤道一帶大幅度急遽彎曲。此外,空間的旋轉還讓流動產生渦流(紅色封閉曲線)。

各恆星的次級影像分別出現在兩道愛因斯坦環之間,各幅次級影像則分別沿著一條封閉曲線(如圖示的兩條黃色曲線)循環運行,而且循環方向和外環外側的紅色流動運動相反。

「巨人」的天空有兩顆非常特別的恆星,重力透鏡效應對它們不起作用。其中一顆位於「巨人」北極正上方,另一顆位於「巨人」南極正下方。兩顆都可以跟位於地球北極正上方的北極星相提並論。我在「巨人」這兩顆極星的主影像(紅色)和次級影像(黃色)位置都畫上了星形符號。

由於我們人類是由地球的旋轉帶著一起轉動,因此地球天空的恆星看起來全都繞著北極星循環運行。同理,當照相機沿著繞「巨人」軌道運行之時,這個黑洞的所有恆星主影像也都繞著紅色極星影像循環運行,但它們的循環路徑(如圖示那兩道紅色渦流曲線)都受到空間旋轉和重力透鏡效應影響而嚴重扭曲。再同理,恆星的次影像也全都繞著黃色極星影像循環運行(如圖示那兩道扭曲的黃色曲線)。

為什麼不自旋黑洞(圖8.4)的次級影像,看來就像從黑洞的陰影浮現,繞行黑洞,然後調頭下行進入陰影,而不像「巨人」(圖8.5)那樣沿著一條閉合曲線循環繞行?

事實上,不自旋黑洞的次級影像,正是沿著閉合曲線循環繞行,只是閉合曲線的內緣十分貼近陰影邊緣,我們看不到它而已。至於「巨人」,它的自旋帶動了空間旋轉,空間旋轉又帶動愛因斯坦內環向外移動,使次級影像的完整循環模式顯露出來(圖8.5的黃色曲線),也顯露出愛因斯坦內環。

愛因斯坦內環以內的流動形態則比較複雜。這個區域裡的恆星,是這個宇宙內所有恆星的三級影像和更高級別影像─跟位於愛因斯坦外環以外之主影像和位於兩道愛因斯坦環間之次級影像所代表的那些恆星是一樣的。

我在圖8.6 列出了「巨人」赤道面的五幅小圖,其中「巨人」本身以黑色描繪,照相機的軌道以紫色曲線表示,並以紅色代表光線。光線將藍色箭頭尖端位置上的恆星影像傳給照相機,而照相機是順時針方向環繞「巨人」運行。

螢幕截圖 2015-05-22 13.13.20

各位可以自行逐一審視這些小圖,將能從中更深入領會重力透鏡效應。要注意的是:恆星的實際方位,是朝上偏右(見紅色光線的外側端點)。照相機,以及各束光線的起點,都指朝恆星影像。

第十級影像非常靠近陰影的左緣,右側那幅次級影像則很靠近右緣;比對照相機拍攝這兩幅影像時的指向,我們可以看出,陰影對向角約為一百五十度朝上。

但事實上,照相機對著「巨人」中心的真正方向是朝左並朝著上方。透鏡效應讓陰影相對於「巨人」的實際方向出現了位移。

打造《星際效應》片中的黑洞和蟲洞視覺特效

克里斯希望「巨人」的樣子,就如同實際貼近觀察自旋黑洞所看到的真實模樣,因此他要保羅和我交換意見。

保羅安排我聯絡他的視覺特效工作室「雙重否定」在倫敦籌組的《星際效應》團隊。到後來,我和他們的首席科學家奧利弗.詹姆斯建立起密切的合作關係。奧利弗和我用電話和Skype 聯繫,透過電郵和電子檔案來交換意見,也曾在洛杉磯或他的倫敦辦公室見面商討。奧利弗在大學主修光學和原子物理學,理解愛因斯坦的相對論定律,因此我們能用相同的技術語言溝通。

我有好幾位物理學家同僚已經做過相關的電腦模擬,包括環繞黑洞軌道運行時,甚至墜入黑洞之後會見到的景象。這方面的頂尖專家有巴黎天文物理學研究院(institut d’astrophysiquede Paris)的阿蘭.雷佐羅(alain riazuelo),以及科羅拉多大學波德分校(University of colorado in Boulder)的安德魯.漢密爾頓(andrewhamilton)。安德魯拍攝過黑洞的電影,在世界各地的天象館放映;阿蘭則是曾經模擬過像「巨人」這種轉速非常、非常高的黑洞。

所以,本來我一開始是打算讓奧利弗聯絡阿蘭、安德魯兩人,請他們提供必要的輸入程式。但這決定讓我遲疑了好幾天,最終改變了心意。

投入物理學研究半個世紀以來,我一直致力於發掘新創見,也努力指導學生研究與發現。我問自己,為什麼不能來點改變,做點好玩的事,即便已經有人比我更早做過那件事?於是我真的親自投入其中,結果證實它確實很有趣,而且出乎我的意料,它還衍生出了「副產品」:一些(不大不小的)新發現。

我用愛因斯坦的物理學相對論定律,也大幅仰賴其他人業已完成的研究,尤其是法國宇宙理論實驗室(laboratoire Univers etTheories)的布蘭登.卡特(Brandon carter),以及哥倫比亞大學(columbia University)的珍娜.萊文(Janna levin)兩人的成果,成功寫出了奧利弗需要的方程式。

這組方程式能算出光線的軌跡,描繪它們如何從光源,例如一顆遙遠恆星,向內偏轉、穿越「巨人」翹曲的空間和時間,最後射入照相機。接著,我的方程式從這些光線算出照相機看到的影像,而且不只考慮到光源和「巨人」對空間和時間造成的翹曲,還把照相機環繞「巨人」的運動也納入考量。

方程式寫好後,我將它們導入一種非常便利、名為Mathematica的電腦計算軟體。然後,我拿我的Mathematica 代碼做出來的影像和雷佐羅的影像進行對照比較,結果兩邊相符,讓我非常振奮。寫下這組方程式的詳細說明後,我將它們連同我的Mathematica代碼寄給在倫敦的奧利弗。我的代碼跑得非常慢,解析度也很低。奧利弗的挑戰就是,要把我的方程式轉換成能夠產出電影所需的超高品質iMaX 影像電腦指令碼。

奧利弗和我按部就班進行下去。我們從一顆不自旋黑洞和一台不移動的照相機開始。接著,我們添上黑洞的自旋,然後又增添了照相機的運動:先環繞圓形軌道運行,然後一頭栽入一個黑洞裡。接下來我們轉向處理一台環繞蟲洞的照相機。

進行到這裡,奧利弗丟給我一枚迷你炸彈:在模擬更精密的效果時,光靠能描述光線軌跡的方程式是不夠的,他還需要能夠描述當一束光線行進通過黑洞之時,其截面尺寸、形狀如何改變的方程式。

這問題該怎麼解決,我多少有點概念,只是那組方程式實在複雜到稱得上恐怖,而我很怕自己會犯錯。

於是我搜尋技術文獻,結果發現在一九七七年,多倫多大學(University of Toronto)的瑟奇.皮諾特(Serge Pineault)和羅勃.羅德爾(rob roeder)已經導出必要的方程式,而且和我需要的形式幾乎是一致的。我花了三個星期處理他們的方程式,奮力克服我自己的愚鈍,做出完全符合必需形式的成果,接著再次導入Mathematica 並為奧利弗寫下說明,讓他將成果併入他自己的電腦指令碼。

最後,他的電腦指令碼終於可以產出電影所需的高品質影像,但是在「雙重否定」這邊,奧利弗的指令碼只是個起點而已。

他將指令碼交給歐吉妮.馮.騰澤爾曼領導的藝術小組,由他們加上一個吸積盤(第九章),並設計出背景星系,當中的星群和星雲受到「巨人」的透鏡效應所影響。接著,她的小組再將「永續號」、「漫遊者號」和登陸艇,以及照相機動畫(它的變換運動、方向和視野等)添加上去,再將這些影像塑造為極逼真的形式:片中實際呈現的精彩場景。更深入討論請見第九章。

在此同時,我看著奧利弗和歐吉妮寄給我的高解析度影片段落不斷思索,努力想破解為什麼這些影像會呈現這個樣子,以及恆星場為什麼是這樣流動。

對我個人來說,這些影片鏡頭就如同實驗資料:它們揭露了一些事,例如前面我為圖8.5 和8.6 所做的說明;要不是有這些模擬成果,單憑我自己是永遠想不透的。我們計畫發表一、兩篇技術論文來說明我們從中學到的新知識。

重力彈弓效應成像作業

螢幕截圖 2015-05-22 13.14

儘管克里斯多福決定不在《星際效應》片中呈現重力彈弓效應的鏡頭,但我還是很想知道:當庫柏駕著「漫遊者號」飛向米勒的星球時,他看到的是什麼景象?於是我用我的方程式和Mathematica來模擬這些情況,並製作成影像,但因為我的電腦碼相當緩慢,因此影像解析度遠低於奧利弗和歐吉妮的作品。

圖8.7 的一連串畫面顯示,當庫柏駕駛「漫遊者號」繞過一顆中等質量黑洞、準備往米勒的星球下降時,他眼中看見的景象─這是我就《星際效應》提出的科學家詮釋。事實上,這正是圖7.2 所描繪的彈弓效應。

最上幅的影像中,「巨人」位於背景,中等質量黑洞從它的前方通過。中等質量黑洞逮住發自遙遠恆星射向「巨人」的光線,使它繞過自己,再將光線拋向照相機。這就能解釋,為什麼中等質量黑洞陰影的周圍會出現狀似甜甜圈的星光。

另外,儘管這顆中等質量黑洞的尺寸只有「巨人」的千分之一,但它和「漫遊者號」之間的距離,比「巨人」和「漫遊者號」之間近得多,因此看來只稍小一些。

 

而由於照相機是隨著彈弓助推作業運行,從鏡頭看來,中等質量黑洞是朝右運行,因此它會隨之脫離「巨人」映襯背側的主陰影(圖8.7 中圖),同時將「巨人」陰影的一個次級影像向前推。

這兩個影像,完全可以和一顆恆星受黑洞重力透鏡影響產生的主影像和次級影像相提並論,只是這裡是「巨人」的陰影受到中等質量黑洞的透鏡效應所影響。

在最底下的影像中,次級陰影的尺寸隨著中等質量黑洞向前行進而逐漸縮小。這時候,彈弓助推作業已經快要完成了,「漫遊者號」搭載的照相機也鏡頭朝下,指向米勒的星球。

儘管這些都是令人嘆服的影像,卻只能從中等質量黑洞和「巨人」的近距離位置觀看,從地球遙望是看不到的。對地球上的天文學家來說,巨型黑洞最令人嘆服的景象,是從黑洞向外凸伸的噴流,以及環繞黑洞的燦爛熱氣圓盤。接下來我們就來討論這些現象。

0217信任本文摘自泛科學2015五月選書《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》,漫遊者文化出版。

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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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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。

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——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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為什麼花錢買票看贗品?每分鐘都有一位傻 B 誕生
寒波_96
・2022/11/18 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

造假是人類複雜心智的一大產物,歷史上各式各樣的作假、贗品層出不窮。作家 Kristine De Abreu 在 ExplorersWeb 網站的文章[參考資料1],整理歷史上的 6 起贗品案例,時過境遷後回顧,這些造假頗有趣味。

龐貝石碑

6 起案例最早的是龐貝石碑。這個「龐貝」不是義大利那個龐貝城,在紐約。公元 1820 年有人找到一塊石碑,上頭有看似陌生的圖像、文字,但是無人能釐清來歷。此後衍生出不少相關的假說與討論。

1894 年,工程師史威特(John Edison Sweet)出面宣稱那是他叔叔的惡作劇。這類藍色窗簾的案例十分普通,也很常見。

龐貝石碑,現在擺在當地的地方小博物館展示。圖/參考資料1

卡迪夫巨人

1868 年,當時某些基督教信徒根據「創世記」,主張世界上曾經有巨人漫步。美國的無神論者胡爾(George Hull)設局惡搞,製作石頭巨人誆騙信徒,希望藉此證明他們是一群盲信的傻B。

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惡搞產品身高 3 公尺,重 1350 公斤,成本 2600 美金(約現在的 54000 元)。本來想運到墨西哥,但是太重,最後埋在紐約的卡迪夫親戚家,1869 年「發現」後被稱為卡迪夫巨人(Cardiff Giant)。

假巨人騙到一些人,不過也很快被識破。後來有人以 23000 美金收購(約現在的 50 萬元)。不論當初意圖是否達到,胡爾都大撈一筆。

當時有位東搞西搞的掮客……沒禮貌,是知名經紀人巴納姆(P.T Barnum) 想買卻被拒絕。於是巴納姆也製作自己的巨人,還宣稱那才是真正的假貨 XDDD

假巨人當時興起一股熱潮,許多觀眾付費參觀。對於這些花錢看假貨的觀眾,有人表示:「每分鐘都有一位傻 B 誕生(There’s a sucker born every minute)」。這句流傳頗廣的話,到底是誰講的其實沒有定論,不過江湖傳言就是巴納姆自己。

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卡迪夫巨人 1869 年的照片。圖/New York State Historical Association Library

伊特拉斯坎勇士雕像

美國的里卡狄兄弟(Pio Riccardi 和 Alfonso Riccardi)與其兒子們,有一門獨特的家族事業:偽造雕像。他們在 1915 到 1918 年製作 3 具 2 公尺高的伊特拉斯坎勇士雕像(Etruscan Terracotta Warriors),並成功賣給紐約的大都會博物館。

伊特拉斯坎文化位於義大利,年代早於羅馬帝國,歷史應該超過 2000 年,可是雕像狀態太好,有人懷疑是假的。1960 年代費歐拉凡提(Alfredo Fioravanti)出面承認,他當初協助兩兄弟造假。

一群當年世界頂尖的專家,散發滿身的權威感,架勢十足地檢視皮爾當人,卻沒人察覺這批「化石」是徹徹底底的偽物。圖/John Cooke 作於 1915 年

皮爾當人

前幾起贗品案都無傷大雅,但是皮爾當人(Piltdown Man)深深地傷害學術。它可謂人類演化研究史上,最大的造假醜聞。

1912 年,名字和達爾文(Charles Darwin)有點像的英國業餘研究者道森(Charles Dawson)宣稱,在薩塞克斯發現古人類的化石,引發一陣轟動。他在 1915 年又宣布找到化石,這批化石後來合稱「皮爾當人」。

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當時一些學者認為,皮爾當人可以填補演化史上,人與猿的缺失環節。英國出土的化石,也支持大英帝國在人類演化史上的地位。業餘人士道森一心想躋身上流,加入英國皇家學會,最終卻沒有如願,在 1916 年去世。

一直有人懷疑皮爾當人的真實性。終於在 1953 年證實皮爾當人分別具有人與猿的特徵,根本是因為皮爾當人不是一個人,而是由猿和人的骨頭拼裝而成。

偽造的伽利略手稿。圖/密西根大學

伽利略手稿

美國的密西根大學 1934 年購入一份「伽利略手稿」,據說是伽利略本人 1609 年的手筆。造假兼打假專家威爾丁(Nick Wilding)在 2022 年 8 月證實,那是假的。決定性的證據來自紙張上的 BMO 水印,它要等到 1770 年才出現,遠遠晚於伽利略的年代。

推測這份假貨來自造假名人尼可查(Tobia Nicotra),他在 1930 年代復刻哥倫布、莫札特、林肯等等名人,製作超過 600 件贗品。

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偽造的維京人文蘭地圖。圖/耶魯大學

維京人的文蘭地圖

有些贗品花費數十年破解,有些則一開始就知道是假的,後來再漸漸補足證據。就像某些偵探故事,一開始就知道誰是兇手,後來才釐清作案過程,可謂證明題。

美國的耶魯大學 1960 年代取得一份 15 世紀地圖,上頭繪有文蘭(Vinland),也就是維京人在美洲的殖民地。幾乎一開始就判斷這份地圖是假的,不過做證明題也有意思,圍繞其衍伸出有趣的議題。現在知道,此圖字體不符合年代以外,使用墨水含有天然的鈦,證實這是晚於 1920 年代的字跡。

至於維京人是否曾經抵達美洲?1960 年代在這份贗品地圖出現不久後,考古學家於加拿大東北部的紐芬蘭,尋獲蘭塞奧茲牧草地遺址(L’Anse aux Meadows),證實維京人確實在美洲留下足跡。只是文蘭在哪裡,仍是謎題。

參考資料

  1. Why Did They Do It? Six Archaeological Forgeries and the People Behind Them
  2. Analysis unlocks secret of the Vinland Map — it’s a fake

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。