蟲洞不是洞而是一顆球?《星際效應》幕後的科學與想像

2015-05-28 14:24

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為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?(圖/擷取自youtube)

為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?(圖/擷取自youtube)

電影《星際效應》(Interstellar)是導演諾蘭(Christopher Nolan)至今最大手筆的電影,被封為IMAX影史上的經典之作,諾蘭以膠捲拍攝全片更是逼得影迷非得買票進電影院觀賞不可。

在過去拍照、錄影都是使用底片膠捲,直到現在許多攝影玩家還是鍾情於底片,因為即使科技日新月異的進步,數位相機愈做愈小巧、使用起來更方便,底片細膩的成色效果與質感層次仍是數位成像無法企及的,就連諾蘭也說:「底片的畫質是無可比擬的,它有最廣的色域,最高的分辨率,膠片拍的電影才是真電影。」

然而,使用膠片攝製電影的成本昂貴,畫質自然但還要另外處理,保存起來也不容易,而且每放映一次都會有耗損的問題,因此數位逐漸成為電影的主要拍攝方式,看到膠片電影的機會越來越難得,就也是為什麼《星際效應》值得進電影院看的原因之一。諾蘭在《星際效應》中更有將近75分鐘的時間用70厘米膠片拍攝,音畫品質都比標準規格的35厘米膠片更上層樓,呈現出巨幕電影的壯闊與浪漫。

《星際效應》中太空梭穿越蟲洞和黑洞的畫面引人入勝,炫目的視覺與逼真的音效讓人身歷其境,感覺就像隨著主角一起進入浩瀚的星際世界。《星際效應》是一部根據確立的物理定律構想的科幻電影,也是第一部正確描述黑洞的好萊塢電影,由當代蟲洞大師、加州理工學院的教授索恩(Kip Thorne)擔任科學顧問,片中情景都是以人類實際會看見、體驗到的方式來呈現,可說是科學理論與電影工藝的完美結合。

這部電影根植於現實科學,位於人類知識的最前端,因此看完電影許多人都會問:蟲洞竟然不是洞,而是一個球體?為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?米勒的星球如此靠近「巨人」黑洞,為什麼不會被它吞噬?

電影上映半年後,《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》終於出了中譯本,索恩將片中艱澀的天文物理知識以淺顯易懂的文字娓娓道來,寫成普羅大眾都容易親近的幕後設定集。看完電影,你還蟲洞、黑洞傻傻分不清楚嗎?別再到處問人了,科學顧問索恩直接幫你解答!以下節錄部份書中內容:

「蟲洞」這個名稱是怎麼來的

天文物理學裡的「蟲洞」名稱出自我的恩師約翰.惠勒,靈感來源是蘋果的蟲洞。對在蘋果上頭爬行的螞蟻來說,蘋果表面就是牠的整個宇宙。

如果一個蟲洞貫穿了蘋果,螞蟻就有兩種方法可以從頂部前往底部:繞過外側(走過牠的宇宙),或是進入蟲洞。走蟲洞的路程較短;那是從螞蟻宇宙的一側到另一側的捷徑。

蘋果裡頭被蟲洞貫穿的美味多汁的內部,不屬於螞蟻宇宙的一部份。那是一個三次元的「體」或超空間(第四章)。蟲洞的壁面可以被想成螞蟻宇宙的一部份,它的次元特性和宇宙是一樣的(兩個次元),而且蟲洞的入口處可以連上宇宙(蘋果的表面)。

從另一個角度來看,蟲洞的壁面不屬於螞蟻宇宙的一部份;它只是一條捷徑,可供螞蟻行進穿越「體」,從螞蟻宇宙的一點前往另一點。

圖14.1 螞蟻探索一顆有蟲洞貫穿的蘋果。
圖14.1 螞蟻探索一顆有蟲洞貫穿的蘋果。

弗萊姆的蟲洞

一九一六年,愛因斯坦提出他的廣義相對論物理定律才過了一年,路德維希.弗萊姆(ludwig flamm)就在維也納發現了愛因斯坦方程式的一個解─描述一種蟲洞的解(但他不是這樣稱呼它)。

現在我們知道,愛因斯坦的方程式容許眾多不同類型的蟲洞(分具眾多形狀和行為的各種蟲洞),當中只有弗萊姆的蟲洞才呈正球形,而且不含會產生重力的物質。

當我們將弗萊姆的蟲洞攔腰切出赤道切片,則蟲洞和我們的宇宙(我們的「膜」)都只剩兩個次元,不再有三個,然後當我們從「體」觀看我們的宇宙和蟲洞,它們看來都會像是圖14.2 左半圖的模樣。

弗萊姆的蟲洞。
圖14.2 弗萊姆的蟲洞。

在這個圖中,我們宇宙的一個次元不見了,你必須將自己想成一種二次元生物,只能在彎曲的薄面或蟲洞的二次元壁面上爬行。從我們宇宙的A點前往B點有兩條通路:較短通路(藍色彎曲虛線)沿著壁面走進蟲洞,較長通路(紅色彎曲虛線)走彎曲的薄面,亦即我們的宇宙─當然,我們的宇宙其實是三次元的。

圖14.2 左半圖的同心圓,其實就是右半圖的綠色套疊球面。當你從A點走藍色路徑進入蟲洞,你也就層層穿越愈來愈小的球面。接下來,球面彼此層層套疊,周長不再改變。然後,當你穿出蟲洞朝B點前進,球面又開始愈來愈大。

接下來的十九年間,物理學界鮮少注意到弗萊姆驚世駭俗的愛因斯坦方程式解,亦即他的蟲洞。然後來到一九三五年,愛因斯坦本人和同事物理學家納森.羅森(nathan rosen),在不知道弗萊姆成果的情況下,也發現了弗萊姆的解,並深入探索其特性,同時也就它對真實世界具有什麼重要意義提出推想。

其他物理學家,同樣對弗萊姆的成果一無所知,開始稱呼他的蟲洞為「愛因斯坦─羅森橋」(einstein-rosen bridge)。

蟲洞塌縮

單就愛因斯坦方程組的數學式來看,一般很難全面認識這當中含括了哪些預測。弗萊姆的蟲洞就是一個出色的例子。

從一九一六年到一九六二年,將近半個世紀期間,物理學家總認為蟲洞是靜態的,永恆不變的。後來惠勒和他的學生羅勃特.富勒(robert fuller)發現事實不然。他們更深入檢視那組數學式,結果發現蟲洞有誕生、延展、收縮和死亡等現象,如圖14.3 所示。

圖片(a) 中,我們的宇宙起初有兩個奇異點。隨著時光流逝,奇異點在「體」裡面伸展、相互靠近,接合生成蟲洞(b)。蟲洞延展,周長變大,如(c) 和(d) 所示,然後收縮並截斷(e),剩下兩個奇異點(f )。黑洞的誕生、延展、收縮和截斷的歷程轉瞬即逝,連光都沒來得及從蟲洞的一側通行前往另一側。任何事物或任何人試圖通過,都會在截斷時一併被毀!

弗萊姆蟲洞
圖14.3 弗萊姆蟲洞(愛因斯坦-羅森橋)的動態。(馬特,齊梅特根據我的草圖繪製,援引自我的《黑洞與時間彎曲:愛因斯坦的幽靈》)

這個預測是不可避免的。若宇宙果真因故生成球形蟲洞,而且裡面不含任何會產生重力的物質,則蟲洞就會這樣子運作。愛因斯坦的相對論定律就是這樣規定的。

這項結論沒有讓惠勒灰心喪志,反而讓他很開心。

他將奇異點(空間和時間無窮翹曲的地方)視為物理定律面臨的「危機」,而危機是很棒的導師,只要明智地深入探究,我們就能洞徹理解物理定律。這一點我會在第二十六章回頭討論。

本文經授權轉載自漫遊者文化《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像

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