《愛因斯坦的宇宙》:黑洞不再是科幻想像,連時空之旅都變得可能

《愛因斯坦的宇宙》:黑洞不再是科幻想像,連時空之旅都變得可能
Photo Credit:AP/達志影像
我們想讓你知道的是

推算出我們銀河系中心的黑洞,大約是水星軌道半徑的十分之一大,這麼小的物體,居然完全主宰了附近星球的運動,著實令人感到驚訝!

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文:加來道雄

黑洞不再只是幻想

廣義相對論另外一個奇怪的預測是黑洞,1916年當史瓦茲卻德重新引進暗星的概念時,黑洞僅被視為科幻小說的題材。不過,哈伯太空望遠鏡與非常大陣列電波望遠鏡現在已證實50個以上的黑洞存在,它們主要藏身於大型星系的中心。許多天文學家相信,也許天上幾兆星系中,有半數的中心有黑洞存在。

愛因斯坦知道,要指認這些奇特物體十分困難。根據定義它們不可見,因為連光都無法逃脫黑洞,所以本質上他們極為難見。哈伯望遠鏡窺探進遙遠魁霎與星系的核心,現在已取得環繞在遠方星系(如M-87與NGC-4258)中心黑洞的旋轉盤照片。經測量結果得知,繞轉黑洞的物質其速度約為每小時100萬哩。最詳細的哈伯照片顯示,在每個黑洞的正中心有一點存在,約為一光年寬,威力足以旋轉一整個10萬光年大小的星系。經過多年的猜測,到了2002年才終於證明我們的後院——銀河系中心也藏有一個黑洞,重量約是200萬個太陽。所以,我們的月球繞地球轉,地球繞太陽轉,而太陽則是繞著一個黑洞轉。

根據18世紀密謝爾與拉普拉斯的研究,暗星或黑洞的質量與其半徑呈比例,因此推算出我們銀河系中心的黑洞,大約是水星軌道半徑的十分之一大,這麼小的物體,居然完全主宰了附近星球的運動,著實令人感到驚訝!2001年,天文學家利用愛因斯坦的透鏡效應,發現銀河系裡面有一個黑洞漫遊;隨著黑洞移動,它會扭曲周邊的星光。天文學家藉由追蹤光線扭曲運動,可以計算出它在天空中的軌跡。(任何漫遊的黑洞經過地球時,會造成毀滅性效果,它將會吃下整個太陽系,還不會打飽嗝呢!)

1963年,紐西蘭數學家羅伊・克爾(Roy Kerr)推導史瓦茲卻德黑洞,納入旋轉的黑洞,促使黑洞研究更進一步。既然宇宙裡每個東西看起來都在旋轉,而且物體崩塌時會旋轉得更快,所以推斷真正的黑洞會以極快的速度旋轉是很自然的事情。令大家吃驚的是,克爾發現愛因斯坦方程式的正確解指出,星球會崩塌成旋轉的環;重力會試著使環崩塌,但是離心力會變得夠強而能抵消重力,使旋轉的環穩定。讓相對論學家最感困惑的是,若你掉進環裡,將不會被擠死,因為中心的重力雖大但是有限,所以原則上你可以通過環,到另一個宇宙去。也就是說,通過愛因斯坦-羅森橋的旅程不見得會致死,若環夠大的話,我們有可能安全進入另一個平行的宇宙。

物理學家立刻開始探討,若是掉進克爾黑洞時會發生什麼事情?遇上這種黑洞當然是終生難忘的經驗,原則上它可以給我們通往其他星球的捷徑,立刻把我們運送到星系的另一邊,或是到完全不同的宇宙裡。當接近克爾黑洞時,將會通過事件視界,讓你永遠回不去原先的地方(除非有另一個克爾黑洞連接此平行宇宙與我們的宇宙,使得來回旅行成為可能)。此外還有穩定性的問題。掉進愛因斯坦-羅森橋時所造成的時空扭曲,可能會迫使克爾黑洞關閉,使得來回過橋的旅行變得不可能。

克爾黑洞好像是兩個宇宙間的通道或閘口,這想法雖然詭異,基於物理學無法排除其可能性,因為黑洞的確以極快的速度旋轉。很快科學家就會知道,這些黑洞不僅可能連接空間中遙遙相隔的兩個點,同時也能充當時間機器來連結時間。

時間旅行的起點

1949年哥德爾發現第一個愛因斯坦方程式的時間旅行解,當時被認為是方程式一個新奇、偏門的獨立解答。不過自此之後,在愛因斯坦的方程式裡又找到許多時間旅行的解。例如,科學家發現早在1936年,W・J・范斯達康(W. J. van Stockum)找到的解就允許時間旅行。范斯達康解包含一個無限長的圓柱體,快速地自轉,就像是理髮院外的跑馬燈;若是繞著旋轉的圓柱體旅行,那麼可能比離開時更早回到原點,這很像是哥德爾在一九四九年的解。雖然這個解引人深思,但問題在於圓柱必須要無限長,長度有限的旋轉圓柱顯然不管用。因此基於物理考量,哥德爾與范斯達康的解原則上都可以被排除。

1988年,加州理工學院的基普・索恩(Kip Thorne)等人找到另一個愛因斯坦方程式的解,可以允許經由蛀孔進行時間旅行。他們指出有一種新的蛀孔可以完全穿過,解決了事界只能單向旅行的問題。事實上,他們還計算出這種時間機器的旅行,可能會和搭飛機一樣舒服。

這些時間機器的一切鎖鑰在於讓時空產生彎曲的物質或能量,要將時間彎成蝴蝶捲餅的形狀,我們需要龐大至極的能量,遠非現代科學所能及。索恩提出來的時間機器,需要負質量或負能量支持。但是沒有人見過負質量,若是你手中握有一片具有負質量的物質,它將會往上飛,而不是往下掉。搜尋負質量物質可說是徒勞無功,若是幾十億年前曾有這種物質存在地球上,也早就飛入外太空,永遠失去蹤影了。另一方面,負能量確實以卡西米爾效應的形式存在。若我們設立兩片電中性的平行金屬板,因為它們未帶電,所以不會相吸或相斥,應該是保持靜止不動。不過,1948年亨里克・卡西米爾(Henrik Casimir)提出一個新奇的量子問題,他證明兩片平行板會受一個很小的力量相吸,在實驗室也測量到了。

因此索恩的時間機器可以依下建造:取兩對平行金屬板,由於卡西米爾效應,板子之間將存有負能量。根據愛因斯坦的理論,負能量的出現會在該區時空上打開小洞或泡沫(比次原子粒子更小)。現在為了說明起見,假定有比我們更先進許多的文明能夠操縱這些洞,在兩組平行板中各抓住一個洞,然後拉長到形成管子或蛀孔、能夠連接兩對板子為止(要用蛀孔連結這兩對平行板,是今日科技遠遠無法企及的)。現在將其中一對板子送上火箭,以接近光的速度旅行,火箭船上的時間會減慢。如前面提過,火箭上的時鐘會走得比地球上的時鐘更慢,若是你跳進地球上兩片平行板中間的洞,將會被吸進連結兩組板子之間的蛀孔,發現自己置身在過去時間的火箭上,而身處於不同的時間與空間點。

自此之後,時間機器(或稱「封閉類時曲線」更適當)的領域已經蓬勃發展,有許多論文提出各種不同的設計,全部都是依據愛因斯坦的理論。不過,不是每個物理學家都感到欣喜,像霍金一點兒也不喜歡時間旅行的點子。他不當一回事地說,如果時間旅行有可能,那麼我們老早被未來的觀光客淹沒了,可是我們並沒有看到他們;如果時間機器很平常,那麼歷史將無法寫成,因為只要有人轉動時間機器,一切都會改寫了。霍金宣稱,他是想讓歷史學家感到安心。不過,在T・H・懷特(T. H. White)的《永恆之王》(The Once and Future King)中,有一個螞蟻社會服膺以下格言:「未受禁止之事,便是強制。」物理學家謹記在心,所以霍金被迫提出「時空保護猜想」,強制禁止時間機器。(霍金後來放棄證明此猜想,他現在仍然主張縱使時間機器在理論上可能,實際上卻不可行。)

就我們目前所知,這些時間機器顯然遵守物理法則。當然,重點在於如何取得這些龐大的能量(只有「夠先進的文明」才能使用),以及證明這些蛀孔在量子修正下仍然維持穩定,並且在我們進去後不會爆炸或關閉。

另外值得一提的是,時間機器或許能夠解決時間矛盾的問題(例如在自己出生前殺掉父母這種事)。因為愛因斯坦的理論是建立在平滑、彎曲的黎曼表面上,當我們進入過去並創造時間矛盾時,並不會就消失不見。對於時間矛盾,有兩種可能的解答。首先,時間之河可能會有漩渦,或許當我們一進入時間機器後,便實現了過去,這意謂時間旅行是可能的,但我們無法改變過去,只能完成過去。

俄羅斯宇宙學家伊戈爾・諾維科夫(IgorNovikov)便是持這種觀點,他表示:「我們不能送一名時間旅行者回到伊甸園,要求夏娃不要從樹上摘蘋果。」第二,時間之河本身分叉成為兩條河流,也就是一個平行宇宙可能打開,因此若是你在出生前便殺死父母的話,你只是殺掉基因與父母相同的人,而不是自己真正的父母,你的父母真的生下你、讓你擁有自己的軀體,發生的事情是你跳進了我們宇宙之外的另一個宇宙,這麼一來所有的時間矛盾都解決了。

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書籍介紹

本文摘錄自《愛因斯坦的宇宙:想跟光賽跑、從椅子摔落……世紀天才這樣想出相對論及量子力學》,時報文化出版
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作者:加來道雄
譯者:郭兆林

一個從寄宿學校逃回家、學業表現不被看好的白日夢青年,
他的發想如何改變人類對宇宙的認知、奠定現代物理學基礎?

當代大師加來道雄回溯物理學黃金年代,
細數愛因斯坦的研究、奇聞軼事和21世紀影響力

假使回到過去,來到愛因斯坦提出狹義相對論之前,我們會很驚訝地發現,當時人們認為物理學走到了盡頭,無需再投入研究。豈知委身於專利局的小職員愛因斯坦,對牛頓的力學定律和馬克士威的電磁理論兩相矛盾的狀況產生興趣,遂提出統合物理和數學的理論,就此開啟光速、量子論與相對論的新時代!

在《愛因斯坦的宇宙》這本書中,物理學家加來道雄以簡單扼要又不失趣味的方式,描繪愛因斯坦一生事蹟、物理學界之爭和歷史局勢的交互影響。愛因斯坦的存在惹得納粹不快、他所到之處民眾熱烈崇拜卻無從理解其學說、他拋出的問題引發學界跟進研究和爭論,開啟一個又一個的未知領域,進而啟發後世無數諾貝爾科學家研究重力波、黑洞、凝聚態、場論、弦論等新物理學門。

身為超弦論奠基者,加來道雄坦承他的成就受到愛因斯坦影響甚深。他認為世人誤解愛因斯坦的靈感來源,他從物理學者的角度,指出相對論起源於兩幅非常簡單的畫面:與光線賽跑、想像自己從椅子上摔倒,這些圖像中的物理現象最後發展成為相對論,以及著名的E= mc2(2要平方)方程式,解開了宇宙運行的祕密,更一舉改變過去對時空和重力的理解。

愛因斯坦的宇宙
Photo Credit:時報文化

責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航

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