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《星際效應》式的太空之旅可能成真嗎
2014/12/01 10:14
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《星際效應》是號稱最接近現實的科幻片,它與一般的科幻電影不同,原始故事的主軸是建立在當代蟲洞大師索恩(Kip Thorne)的構想之下,製作群願意把劇情限制在科學的範圍裡,讓觀眾藉著這部 太空「公路電影」到天際漫遊。不過它畢竟不是科學教學片,人類可能在不久的將來拜訪其他太陽系外的星球嗎?傷腦筋,讓我們一起來想一想:      


(圖片改編自星際效應前傳《Absolute Zero》)

1. 不會有蟲洞

太空裡的洞洞有兩種:一種是事實存在、被它的引力吸入就逃不出來的黑洞;另一種是理論上可存在、沒人見過的蟲洞,但科幻小說常把它用做如同「任意門」的太空旅行捷徑。要是有天上掉下來這麼一個「任意門」多好,就可以像《星際效應》的劇情一樣,另一個銀河系變得近在咫尺,讓人類一探究竟甚至移民。

不過蟲洞很容易崩潰,還需要有「負能量」的奇異物質才能讓太空船平安通過。蟲洞大師索恩自己就曾經說過:「目前所有的證據都強烈顯示不可能有足夠的奇異物質以打開蟲洞。若真的發現蟲洞,那一定是某個高等文明製造出來的。」能讓人旅行的天然蟲洞~~是天方夜譚。


2. 自己也做不出蟲洞

既然沒有天然的蟲洞,那自己動手好了。做蟲洞的必須材料是大型黑洞,電影裡面的「巨人黑洞」質量是太陽的一億倍,才有強大的引力扭曲時空。距地球最近的黑洞是6000光年外的天鵝座X-1,質量只有太陽的8.7倍,先不說它夠不夠力,想要到那麼遠的地方~~先得要有一個蟲洞!

(另外有一個辦法,就是使用像Star Trek裡面的「曲速引擎」,不過它也有一樣的問題:需要很多有負能量的奇異物質,結果和人造蟲洞半斤八兩,都做不出來。)


3. 火箭不夠力

好吧,假設地球人祖上積德,有外星人或未來的人類依照電影裡的劇情,在太陽系內放個蟲洞的入口,那麼地球人總可以用現有的太空船通過蟲洞遊歷別的星系吧!

靠著火箭推動最快的太空船是正在飛往冥王星的「新視野號」(New Horizons),但是它的速度只不過是光速的0.0055%。

不過別灰心,讓太空船加速或減速有一個偷吃步,就是利用其他星體的「重力彈弓效應」。《星際效應》裡面有這次用到這一招,大家最熟知的就是電影最後「永續號」太空船利用黑洞的引力幫助女主角彈射到第三顆行星(愛德蒙星)。其實索恩的書中詳述主角們走訪那一顆有大浪的行星時(米勒星)就有用附近環繞黑洞的中子星將太空船的減速,讓他們順利落在米勒星上。因為中子星的重力也非常強大,因此他們的速度減少了1/4光速。這一點在電影中並沒有解釋,但是在新書中卻有詳細的說明。想要飛近黑洞的重力場或可辦到,但想飛離黑洞附近的行星,像電影裡面的男女主角逃離米勒星回到永續號的情景是不可能做到的。


了解重力場的最好辦法是利用這一種常常在遊樂場看到的漏斗型玩具,上面的彈珠繞著中心旋轉,就像行星繞著太陽旋轉一樣。在這裡你可以把這個漏斗看成黑洞的重力場,黑洞在漏斗的中心,外面的這個鋼珠是「永續號」太空船,裡面的鋼珠是「米勒星」。

《星際效應》裡面「巨人黑洞」漏斗形的重力場,越下面重力越強。外圍黃色圓圈「永續號」的軌道,內部的藍色圓圈是有大浪的米勒星的軌道。電影裡面男女主角一行三人搭乘登陸小艇Ranger脫離永續號沿著黑線到米勒星。(圖片來源:索恩著《星際效應裡的科學》)

(左)依照索恩的說法,登陸小艇一開始借用一個小型黑洞(旁邊的那個小漏斗)的重力場來個大轉彎;(右)在他的附近有一個逆向公轉的中子星(橘色圓圈),登陸小艇用它來剎車。索恩的思緒還真是細膩,我在電影裡發現的問題他已經早就想到了。(圖片來源:《星際效應裡的科學》)

現在的太空船也常用重力彈弓效應這一招來改變速度或方向,可是太陽系的土星、木星的引力畢竟有限,可見的未來太空船的速度不可能超過光速的0.01%。已經離開太陽系的航海家1號(Voyager 1),雖然借重土星和木星的重力彈弓效應加速到每秒17.4 公里,但是那只不過是光速的0.006%


4. 加油站在哪裡?

就算有能力製造出強大的火箭,還有一個問題:哪裡可以找到燃料?哪一個人開車遠行可以不用加油站的?既然沒有加油站,只有把所有的燃料打包帶走。

從電影裡面大型火箭震撼升空的場景可以判斷他們的火箭比現在好不了多少,奇怪的是這「永續號」竟然沒有龐大的燃料箱,卻可拜訪一個接一個行星,這是電影裡不太合理的地方。現在即使是發射幾噸重的一般人造衛星,還得要在十層樓高火箭裡加滿了燃料才能射到地球低軌道。想要讓火箭更小更有力,就需要找到能量密度更高的燃料。曾經有科學家提議用很多核子彈推動太空船,每公斤的核反應原料是化學燃料的十萬倍;更有人提出利用反物質當作燃料,當正反物質混合時會互相抵消,100%質量轉換為能量,又是核子彈的十萬倍。反物質哪裡來?現在歐洲的「大型強子對撞機」(LHC)每年可製造0.000000001公克的反物質,若是想要把10噸重的太空船加速到光速的90%,需要10多公噸的反物質,LHC需要工作1000000000000000年才能集滿這麼多,那幾乎是宇宙歲數的60萬倍(宇宙的年紀至今也不過138億年)。看樣子還是核子彈比較實際一點。


想像中的反物質火箭,當正反物質在火箭噴嘴相遇時就會產生激烈的核子反應,所有的質量都會化為能量。(圖片來源:維基百科)

5. 人生苦短

其實時間本來不是問題,機器若是能夠自行修護,絕對可以存活幾千幾萬年,漫漫的星際旅程是可以達到的。問題是人活不了這麼久。有人說:星際旅行不是技術上的問題,而是生物的問題。請問有多少人願意砸下財產,仿射一台智慧太空船到遠方的星系,讓它在數千、數萬年後把結果傳回來,那時世界早就改朝換代好幾次了。


可以自我繁殖的機器人能自我修復,又能生生不息。這樣的太空船又叫做von Neumann probe。(圖片來源:Future Converged)

說到砸錢發射太空船,一艘星際太空船到底要花多少錢呢?


6. 哇碴,這麼貴

1970年代一群科學家研定的「代達羅斯計劃」(Project Daedalus),打算使用5萬噸的核融合燃料,把100噸的太空船加速到光速的12%,46年後到達5.96光年之外的「巴納德星」(Barnard's Star)。最近有人粗略計算過:假使未來的世界繼續歌舞昇平,經濟繼續成長,每年的GDP成長維持3%,並且大家願意把其中的0.4%投資在一艘太空船上,太空技術也更好更便宜,全世界的經濟能力應該可以在22世紀結束之前實現。聽起來還不錯,但這是無人太空船,若是要載人,所需的經費就不只貴十倍了。喂,不要再上班打混上網了,趕快回去努力賺錢,地球的未來就靠你了!


這就是「代達羅斯計劃」的太空船,底下的半圓球體是核子反應爐,那幾個白色大球是燃料槽,最重要的儀器在最上面的圓柱體裡。旁邊的是登陸月球用的農神5號火箭,用來比較大小。(圖片來源:The Worlds of David Darling)

7. 沒有外星人幫忙

既然地球沒技術、沒有錢、沒足夠的能源、更不會有天然的蟲洞,有一天地球有麻煩的時候,會不會有好心的高等智慧生物來幫忙,就像電影《星際效應》一樣送給地球一個人工蟲洞?

《星際效應》點出一個很有趣的物理現實:時間和空間是互相關連的,當空間被扭曲的時候時間也會被扭曲。換句話說,若是有一個高等文明掌握了蟲洞的技術,他們也同時有穿越時光的能力(像多啦A夢那樣就對了)。這樣的高度文明理論上可以利用時光旅行不斷回到過去,有無限長的時間讓他們探訪每一顆星球。宇宙裡只要有一個這樣的文明,他們就可以殖民整個宇宙,當然包括地球;可是套句50年代知名物理學家費米的問題:如果銀河系存外星文明,那麼為什麼連飛碟或者外星探測器之類的證據都看不到?(這又叫「費米悖論」,Fermi paradox)。

或許蟲洞真的不可能,宇宙中沒有任何人有這個技術?那麼地球有難時,是不會有人來幫忙的了!


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:


參考資料

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有誰推薦more
迴響(10) :
10樓. vladimir
2017/05/20 19:44

說到穿越, 其實我覺得最神而且還很有理論依據的穿越電影就是

Somewhere in Time (似曾相識)

(reserve.china@gmail.com)
9樓. 趙耳顺
2014/12/04 07:40
啧啧啧

艺高人胆大,天子脚下玩变装游戏,火星人的呼吸器官比较耐操吧!

即使在南方,我还是过敏,涕泪纵横~~

痛哭 火星情報總長2014/12/05 14:53回覆
8樓. 趙耳顺
2014/12/02 19:30
上面好像多了一点资料补充

两颗小弹珠的道具挺好,很明白意思。

老共(我习惯说一边一国平等互惠的彼岸)做的蠢事不止一桩,以你优秀的脑袋不难推断会有更多的疯子搞出无法收拾的残局。

又写了无关主题的留言~汗

我也覺得沒有小彈珠的例子比較不容易懂,聽您這麼說我就開心了!微笑

偶們火星人可是在北京有不少臥底的。

火星情報總長2014/12/03 15:58回覆
7樓. blue phoenix 韓國瑜的下一歩---假韓粉勿入
2014/12/02 11:09

總長好強大啊

竟然有篇文章超過十六萬次點 閱

我太崇拜你了尖叫


blue phoenix

真的誇張,我這間小廟,只能說看不懂這部電影是大家的心聲。 火星情報總長2014/12/02 14:16回覆
6樓. 東村James
2014/12/02 10:40
說不定他們是用核子能﹐所以不用燃料誰理你
這個嘛...核子能的原料也是一種燃料 火星情報總長2014/12/02 14:14回覆
5樓.
2014/12/02 10:24

太空旅行之前還是先做好探勘工作吧,航海家號實際上還沒飛出太陽系,只是接近邊緣而且速度有減緩趨勢,似乎是受到什麼外力干擾,而像月球的氦三存量比地球多,是個效率很高的能源物質,結果美國當年卻是放棄登月計劃改去火星,直到近幾年中國與歐洲都開始登月計劃,美國才又說要回到月球,這當中的邏輯不耐人尋味嗎?

比起太空探險,地球內部的海洋與地殼下方也值得探究,而且難度不會比去外太空低,就好比地球空心論等等,同樣需要時間去發現和研究,也有傳言指出,或許所謂的蟲洞就在每顆星球的核心部分,地球就是地心囉,因為重力場最詭異的地方就在那...

至於白洞,也只是某些科學家或小說家對於黑洞的相對假設罷了,目前實際上根本還是未知數,而且以往認為黑洞只進不出,但近年來也有發現未必如此,黑洞也是會"吐"出東西的....而在這之前,人類先能掌握暗物質的知識科技再說吧~

宇宙太大,哪怕是自己家門口也有很多未知數 火星情報總長2014/12/02 14:09回覆
4樓. 時和
2014/12/02 01:43
來唱反調

1. 黑洞和白洞共生,黑洞很用力的把東西吸進來,而白洞則很用力的把東西吐出去,把白洞想成是負能量就成了。

2. 用武俠小說的說法,黑洞和白洞間就隔著個〝結界〞,有緣人永遠都能找到通過結界的金鑰匙。

3. 太空中蟲洞的入口可能多得不得了,就像是在地球上,找到一處懸崖向下跳,在重力加速度下,一下子就〝穿越〞了。 (如果看過穿越劇自然就可能發生)

4. 在太空中的蟲洞入口就是空間裂縫,就像是懸崖一樣。目前的技術測不到,並不代表沒有。


原來〝穿越〞有這麼神奇,以後有機會要看看穿越劇!

依據現在的理論,蟲洞的出口「白洞」應該是會釋出物質或能量的東西,此外也可能有和黑洞相反的重力透鏡效應,應該不會太難測到(所以是“白”的)。當然,沒有測到不代表不存在,目前對蟲洞可能還不太了解,並不代表沒有。

火星情報總長2014/12/02 13:41回覆
3樓. 看雲
2014/12/02 01:25
請問索恩寫的《星際效應裡的科學》有中文翻譯本嗎?這似乎是看懂電影的參考書。
我只知道英文版,barnes and noble和亞馬遜也有賣,寫得不錯,有些部分要花時間想一想,可以去B&N看一看。不知道是否會有中文版,不過有時候許多中文翻譯的科學書籍反而讓人看不懂。 火星情報總長2014/12/02 13:23回覆
2樓. 趙耳顺
2014/12/01 19:28
如果我没弄错

回到只有理论状态?

珊卓布拉克的地心引力中最叫我吃惊的是太空垃圾,即使太空计划不是仿造冷战时期的军备竞赛,可以集点积满上帝粒子,或幸运到不小心发现超能源(一定先使用在武器),及人类顺利结冻成冰块还不挂掉,估算等到能到火星去旅游时,已经出不去了。

往好的方面想,外星人侵略地球的难度也大增,100年后陨石都不用的担心了。

我哪里狠心?是想开了,好吗!!!

太空垃圾真多,最奇怪的是數年前老共自以為很帥地打爛一台自己的衛星,結果製造大量的太空垃圾,害人害己,也害得我每次到地球都得小心翼翼。怒吼 火星情報總長2014/12/02 13:15回覆
1樓. ZEN
2014/12/01 16:41
對曲速引擎有興趣,可以請總長介紹嗎?   謝謝(zan_0314@hotmail.com)
會的,其實已寫了一半,不過明年有機會見到一位這方面的專家,我打算到那時候再定稿,麻煩您稍等。害羞 火星情報總長2014/12/02 13:09回覆
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