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一起跳進《星際效應》裡的「蟲洞」
2014/11/05 17:24
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面對現實吧,這地球是不能住人了,到處是環境污染、有全球暖化、有黑心油害人,最近伊波拉病毒又搞得人心惶惶,甚至還有藝人亂劈腿!唉,如果能移民到別的星球該有多好。

這好像是我等了一整年的電影《星際效應》(Interstellar,也譯做《星際穿越》、《星際啟示錄》)的故事。這部電影是導演過《全面啟動》(Inception)的諾蘭至今最大手筆的電影,由最新的奧斯卡最佳男主角馬修麥康納主演一位偉大的父親,不久的將來地球環境極度惡化、生物圈崩潰,他為了人類的未來,不得不和心愛的女兒分離,搭乘太空船到宇宙深處去尋找另一個適合居住的星球。

所以在這個電影裡面,你可以看到太空船、減緩老化的人工冬眠、人工智慧機器人... 糟糕了,最重要的光速引擎呢?若還是使用現在的火箭,即使是現在已經飛離太陽系的太空船「航海家一號」,也得等到西元40,272年才會飛過下一個星系!這電影該怎麼拍下去呢?

還好,有科幻電影的法寶:「蟲洞」(Wormhole)。看《星際效應》之前一定要知道什麼是「蟲洞」。

如果你已經看過這一部電影,建議您繼續看看不懂星際效應?讓我好好解釋...~~小心地雷!


沒有蟲子的蟲洞

別誤會,蟲洞和蟲子一點關係都沒有,而是物理理論中連接兩個不同時空點的捷徑。比如一張A4紙對角的距離約35公分,但把紙對折、兩角對齊後,他們的距離就是零。理論上,若能將宇宙的時空也這樣的對折,就能產生捷徑,讓太空旅行不再漫長。


蟲洞是理論上在時空扭曲下形成的隧道。(圖片來源:Anderson Institute)

對了,《多啦A夢》的「任意門」就是一種幻想的蟲洞,可把大雄和多啦A夢瞬間運送到任何角落。

類似的概念在其他科幻電影也常常出現。


電影裡的蟲洞:(A)《復仇者聯盟》中從『宇宙傳送門』來到地球的齊塔瑞巨獸。(B)《超人:鋼鐵英雄》中氪星人的人工蟲洞。(C)1997年茱蒂福斯特主演的《接觸未來》(Contact)裡,依照外星藍圖製造的蟲洞機,讓女主角和外星人溝通;(D)《星際奇兵》(Stargate)裡的「星門」,是百萬年前外星種族留在地球上的蟲洞大門。

只可惜蟲洞目前只存在於數學家的計算紙上和科幻電影裡,沒有人真正看過它。如果想把時空扭曲成一個蟲洞,需要超級大的重力,宇宙中有這個能耐的,就只有連光也逃不出的「黑洞」了。1988年加州理工學院的索恩教授(Kip Thorne)利用「廣義相對論」證明某類的黑洞可以是蟲洞的入口,進入蟲洞的人若是沒有被黑洞壓死,就可以從蟲洞的另一端(又稱白洞)出來。

《星際效應》與眾不同的地方在於導演諾蘭花了許多心思把蟲洞“真實”地呈現出來,他甚至請索恩教授推導物理公式,求出蟲洞理論上的外觀。


《星際效應》的蟲洞是根據索恩的理論推算出來的。(圖片來源:Wired)

原來在黑洞強大的重力場會扭曲附近的空間,連原本筆直的光線也扭曲了,造成類似光學鏡片的效果,叫做「重力透鏡效應」(gravitational lensing)。這些高度非線性的數學式非常複雜,需要反覆計算才能得到答案。電影公司透露,電影裡面的某一些單一的「格」要花100個小時才做出來!而電影每秒要24格...


哇卡,微軟在太空中放個巨大的IE標誌打廣告嗎?原來這發亮的圓盤是被高速旋轉的黑洞吸入的氣體(叫做吸積盤,accretion disc)因強大的動能而加熱發光,發出來的光線同時在扭曲的重力場中環繞黑洞數次才能脫離,而變成這樣的景象。黑洞雖然是漆黑的,但是四圍發亮的高熱氣體卻常被地球上的望遠鏡觀察到。

你那邊幾點?

你不喜歡長途飛行後調整時差嗎?那你絕對不要跳進蟲洞裡,那裡的時差更可怕!

黑洞扭曲空間也扭曲了時間,太空人越接近黑洞,時間就過得越慢。當地球上的人用望遠鏡觀察黑洞旁的太空船時,就好像在看慢動作影片,連子彈好像也停了下來;但太空人並不覺得時間變慢,反而地球上的一切都進行快速,目不暇給。

喜歡諾蘭的人一定知道他喜歡玩時空交錯的遊戲,比如說《全面啟動》裡每進一層夢時間就會加快12倍;《記憶拼圖》(Memento)的時間來回錯綜更像打毛線。黑洞造成的「時間膨脹」更給了《星際效應》一個絕佳的題材來訴說一個獨特的淒美故事。

有人認為蟲洞可以當作時光隧道,《星際效應》也利用這一點做文章。


可能有蟲洞嗎?

有這麼好的事?讓太空人可以走捷徑,幾百光年的距離卻近在咫尺!

可惜,雖然至今已經發現了N個黑洞,但是從沒看過白洞(若存在應不難被發現),更不要提蟲洞。有科學家提出宇宙中充滿了比原子還小很多的微小量子黑洞,不斷生滅,但是它們即使存在也沒有三小錄用。前一陣子我參加「百年星艦」會議,有科學家在會議中宣稱他們以其他的方式製造出蟲洞。看看他們的數據,唉~勸他們先回家多做一點實驗吧。

索恩所提出的蟲洞,還需要有「負能量」的奇異物質才可以,否則蟲洞在太空船進入的同時就會毀滅。蝦米「負能量」?宇宙中真的有這樣的東西嗎!或許可以在台灣的網路鄉民中找到。這麼說來,蟲洞應該不可能自然生成,只能是人造的——不能說太多,否則就要透露出《星際效應》的結局了。

如果你還想知道更多詳情,建議您繼續看:『《星際效應》式的太空之旅可能成真嗎』;『《星際效應》的最後結局是...』。


索恩並不是用電腦模擬蟲洞外觀的第一人,科羅拉多大學的Andrew Hamilton數年前就用超級電腦做了下面這個影片,背景是銀河系,讓人體驗穿越蟲洞的感覺,只是這個黑洞比較單調,沒有旋轉,沒有吸積盤。影片左下方的插圖代表太空船的相對位置,紅色的圓圈是連光進入之後也無法逃出的事件視界(Event Horizon)。您可以看到這個黑洞就像是個太空中的巨大透鏡,扭曲背景的影像,後來黑洞越來越大,等你穿過事件視界之後,一個新的宇宙在你面前展開。

(影片來源:Andrew Hamilton,University of Colorado)。

想更深入了解嗎?不妨參考索恩教授所寫的《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像

其他的科幻電影:


深不可測的宇宙:

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迴響(16) :
16樓. TakingCat
2018/04/15 18:57

今天才在電視上看到這部經典電影的重播,連續看了幾篇您的解析文章,對劇情又有了深一層的認識!謝謝局長的分享(抱拳)

時間膨脹跟蟲洞真有趣,看完電影讓人想找些科幻小說重溫舊夢。

謝謝啦! 火星情報總長2018/05/11 23:03回覆
15樓. bonbon4
2015/03/24 23:22
留言在錯誤的文章了…現在馬上去重貼:-(
請看我在那裡的回覆,謝謝。 火星情報總長2015/03/27 14:59回覆
14樓. bonbon4
2015/03/24 23:00
局長,想請問幾個文章中的問題:為何超重黑洞的奇異點是個環?是因為超重黑洞自轉,奇異點也呈現繞行運動,遠遠看起來像是一個環,請問我這樣理解是否有錯?而為何環上有各種時間點呢?先謝謝您的回答,這篇文章真的讓我了解許多電影中的科學依據:-)
13樓. 水妹
2014/11/29 03:13
感謝格主分享那麼特別的知識 感動(嘩)http://www.twdetect.org.tw
不客氣 火星情報總長2014/11/30 04:46回覆
12樓. 台灣之家
2014/11/17 17:02
1
真的很好看~
謝謝! 火星情報總長2014/11/18 23:56回覆
11樓.
2014/11/14 16:31

太精闢的解說了,讓我對時間膨脹和蟲洞的概念,終於清楚了!!! T______T

你這些知識都從哪邊學來的阿~太欣賞你了!

(jardie_s@yahoo.com)
謝謝您的誇獎。沒辦法,我們幹情報的就是這樣。微笑 火星情報總長2014/11/16 04:30回覆
10樓. 看雲
2014/11/13 12:45

Star Trek裡的人常常從一個地方消失然後在另一個地方出現,是不是也算蟲洞的效果?

讀了兩篇解釋,大概可以去看電影了。在米國看沒有字幕的電影,常常要用猜的,科幻片更是一頭霧水。

Star Trek裡的應該算是Teleportation,比較近似將物質轉換為信號再變回物質,現在有人利用量子物理做這方面的研究。

這個電影若是沒有字幕的確有點吃力,Matthew McConaughey他老兄的南方口音太重了。

火星情報總長2014/11/14 15:36回覆
9樓. 東村James
2014/11/10 22:14
週末看了﹐好好看﹗
我也很喜歡! 火星情報總長2014/11/11 09:18回覆
8樓. 山水光
2014/11/09 17:44

您的父母親一定覺得很光榮

這個孩子好有知識ㄛ

聽了真高興,謝謝! 火星情報總長2014/11/11 09:07回覆
7樓. daddy
2014/11/09 13:02

專家曝光:神秘的51區和外星人真實樣貌曝光
http://ck101.com/thread-3116645-1-1.html

Youtube也有影片,我想或許是真的

哈哈,謝謝你的情報,外星人本身比照片帥多了,那些狗仔的素顏照拍得真不好。 火星情報總長2014/11/10 13:39回覆
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