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科學不是幻想:星際旅途上和時間偶遇

2014/11/8 — 16:35

圖:模擬黑洞。來自後面銀河系及麥哲倫星雲的光線通過被黑洞扭曲的時空後,型成扭曲的影象。

圖:模擬黑洞。來自後面銀河系及麥哲倫星雲的光線通過被黑洞扭曲的時空後,型成扭曲的影象。

(作者按:本文草於《星際啟示錄》上咉之前,只希望有助親友明瞭科學對宇宙的理解的極限,安心享受天馬行空的創作。並非影評,絕無劇透。) 荷理活科幻大製作《星際啟示錄 Interstellar》 前日上咉。有博客為影癡惡補科學,講解「五維度全息宇宙論」等等科學狂想。筆者卻認為,對這些天馬行空的幻想不用太認真,有興趣的話,不如重溫或更新自然科學對宇宙真正的認識。 我要說的是時間。認識時間的物理真義,有助分辯科學和幻想。否則即使有所感悟,所謂的「啟示」只是虛無漂渺,鏡花水月。

時間是甚麼?

《星際啟示錄》科學顧問 Kip Thorne 的老師 John A. Wheeler 說過,「時間是大自然用以避免全部事情一起發生的辦法。[1]」大教授這裡視時間為座標,將宇宙發生的一切像 Facebook 的 time line,加與標籤,為之排序。 時間將事情按先後排序,還得有個公認的量度標準。地球人以日出日落為一天,然後細分為廿四小時及 86,400 秒。現代科學家則利用銫原子光譜中最穩定的振盪頻率,定出宇宙通行的精確標準。現時美國國家標準局的銫原子鐘準確度達至一億億分之一,等於三億年不差一秒。

時間是個人的

時鐘達到這個精度,就足以顯現違反地球人常識的自然現象,例如長途飛行後,旅客年輕了 0.00000001 秒。 運動中的鐘較靜止時慢,是愛因斯坦狹義相對論的「時間澎漲」[2]。雖然「天上一天,人間十年」不再是神話,但時間要在接近光速的星際飛行才會察覺有顯著的差別。 雖然 iPhone 或手錶時間沒有原子鐘精確度,但相對論告訴我們,每個人有不同的經歷,不一樣的時空軌跡,所以沒有兩個人的時間會同步。因此,時間是個人的。筆者在研究院研習物理之時只顧埋首運算,從沒想過這個問題,想不到未看《星際啟示錄》已有所啟示。

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時間有彈性

日前在美國國家公共電台 (NPR) 網站讀到一篇文章,介紹研究中的鍶 (Strontium) 原子鐘,其精確度足夠在五十億年——比地球年齡更長——之內不差一秒。時間在這個精度細看,不但因人而異,還會隨地而變。這個鐘由枱面升高一米掛上牆後,會快了一億億分之一,若送上發放 GPS 定位訊號的衛星,時間在上空軌道的「超速」足以誤導地面的車輛駛到鄰街。

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時間會被重力拖慢,是廣義相對論效應,原理並不神秘。愛因斯坦大膽地假設,火箭內的太空人感受到地板傳來的重力,可以是來自火箭停泊的地面,亦可以是飛行中的火箭加速所致,太空人無法分辯。運用這個等效原理,簡單的中學程度運算(類似 Doppler effect,見 Feyman Lecture 42-5)就可推算時間在高處和地面的差異。

現代人旅遊行山不再需要地圖,有賴工程師運用廣義相對論算出時間在高空軌道的偏差,讓 GPS 提供準確的地面位置。

時空被物質扭曲

相信大家都認識核電廠用以發電的狹義相對論原理 E = MC2(質量等同能量)。光由光子組成,可以看成串流不息的能量,等於帶著質量穿越時空。如果飛船飛過星體時航道會被其重力扭曲,光線同樣地亦會被物質扭曲。 換個角度來看,光只是順著最自然的「直線」前進,被物質扭曲的其實是空間及時間。這就是我們要知的廣義相對論精要:物質扭曲周圍的時空,光和物質在其中迂迴行進,就是重力產生的效應,我們平常所說的地心吸力。

時間的終點:黑洞和奇異點

時空被高密度的物質扭曲到極點,就生成黑洞。太空船駛到黑洞附近,若頂不住其引力,越過名為「事件視界 」的界線後,就只能直奔時空曲率無窮大的「奇異點 Singularity」,連同一切訊息永遠埋葬在黑洞裡面。飛船一直向地球定時發回的訊號相隔越來越長。最後的一刻,就是永恆。 蟲洞:奇異物質扭出時空捷徑

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1985 年,著名天文學家及作家 Carl Sagan 正在構思名為 Contact 的科幻著作, 當中一個情節需要讓主角前往銀河系中心尋找高等智能。Sagan 不想再用「時間機器」那類的陳腐招式,遂向科學界徵求有科學根據的橋段。Kip Thorne 接受了挑戰,由愛因斯坦一篇老論文得到啟發,在一個廣義相對論方程式的解 (solution) 當中,建立了一個時空捷徑,稱為「蟲洞」。理論上,蟲洞能不違反任何物理定律而促成看似超光速的太空旅行。不過,將時光扭出一個「隧道」所需的奇異物質帶有負能量,可能不存在。

時間是單程路

兩週前教宗 Francis 在梵蒂岡教宗科學院發表演說,指「今天成為宇宙起源的大爆炸理論和創造者沒有抵觸,大爆炸更需要創造者的干預。(Il Big-Bang, che oggi si pone all’origine del mondo, non contraddice l’intervento creatore divino ma lo esige.)」擾攘了數十年之後,教宗終於親口承認大爆炸理論所描述的宇宙,由熾熱高密度的始源狀態不斷澎漲,在科學定律推動之下,演化生成今天的一切。 在我們的宇宙裡,科學定律並沒有對未來特別偏心,並允許時間逆行,但宏觀現象卻全部不能逆轉:破鏡不能重㘣,人死不能復生,青春一去不返。時光不能倒流的深層原因是熵 (entropy) 受制於熱力第二定律,由大爆炸前的初始宇宙開始,永恆地增加;因此,我們不能從宇宙的四維時空回到過去。這是時間三大特質中最深奧的一環,三言兩語不足以勾勒其輪廓,需另文再談。

科學與科幻的界線

相信很多科學人不接受大暴炸被宗教「滲透」。筆者卻認為,在解釋宇宙始源的暴漲論 (inflation) 仍未有證據支持之前,宇宙大歷史 Big History 只能由大爆炸開始。讓造物者留守「無中生有」的最後據點,反而能清楚地釐定科學理論和假說的界線,讓堅實的科學理論不被天馬行空的科幻淡化和混淆。

為免因劇透被 unfriend,到此為止。

註:

  1. Sean Carroll, From Eternity to Here
  2. 狹義相對論其實很顯淺,只是基於光速不變的事實:行進中的火車發出的光,其速度在站上量度和在車內量度一模一樣,有如樓價永遠在升,不管你如何努力,它和你的收入總是保持同樣距離。筆者中五學年第一次接觸,至今仍覺得不可思議,只能接受是宇宙的特異功能。以光速不變原理作規限,中學生可以輕易推算出「時間澎漲」、「長度收縮」及至 E=MC2 等更有違常理的結果。

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