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近期由 Christopher Nolan 執導的科幻電影《Interstellar》大熱,這是一部好電影是沒錯,不過卻聽到不少朋友抱怨,對電影當中涉及如「相對論」(Theory of Relativity)、「黑洞」(Blackhole)、「蟲洞」(Wormhole)、「重力」(Gravity)、「多維空間」(Multi-Dimensional Space) 等等科學理論完全摸不著頭腦,也許我在這裡簡單地解說一下,至少讓大家進電影院前對這些艱深的科學理論有一個基本概念吧!

 

1.「相對論」(Theory of Relativity)

「相對論」是關於「時空」和「重力」的理論,主要由「愛因斯坦」(Albert Einstein) 創立,依其研究對象的不同可分為「狹義相對論」(Special Theory of Relativity) 和「廣義相對論」(General Relativity)。而電影中的是「狹義相對論」。

 「狹義相對論」我想大多數的人都聽過著名的 E=mc2 這個質量、能量互變公式吧!「狹義相對論」包括的基本假設有兩個:

 第一個是「所有的物理定律,在各個不同的慣性系中都相同」。這裡所指的物理定律,是說物理定律的內容,而不是物理定律所計算出的數值。

 第二個是「光速為恆定的」,「狹義相對論」將「在真空中光速為常數」作為基本前設,即是「光的速度不變」且是宇宙中最快的速度,沒有東西可以比光更快,也就是說,「光速」是一個恆定不變的「常數」(Constant)。速度大約是每秒 299,792,458米。當物體運動時,它的一切(物理、化學變化)看來都會變慢,這就是「時間膨脹」(即時間變慢)。假設等速運動的物體帶在身上的時鐘,用靜態觀察者的時鐘去測量,不論運動方向,測量結果,「動的鐘」都隨著運動速度增加而變慢,簡單來說也就是「速度越快,時間就會相對變得越慢」。

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『越接近「光速」,時間會變得越慢』,因此「光速」是不會被超越的;打個比喻:想像你身在電動行人路上,你只要站著,就可以和旁邊普通路上走的人一樣快,你只要慢慢前行,就會比旁邊普通路上的人要快了。因為電動行人路正不斷的把你送向前方,而你再在上面前進的話,你的實際速度就是電動行人路的速度加上你自己行前的速度。那麼,如果把電動行人路加速到光速的 99.9999999999%,然後你再在上面走,那不就可以超越光速了?又或者我站在那條行人路上,我就可以看到光線慢慢的超越我,好像在高速公路上被超車一樣......但「相對論」告訴你,那是不可能的!當電動行人路加速到光速的 99.9999999999%時,那是非常接近光的速度,就如之前所說的,這刻你所體驗的時間,會和在普通行人路上的那個人不同,你的時間會變慢,所以無論你怎樣加速,也沒法超越光速。

換言之,兩個人,只要他們用不同的速度運動,他們所經歷的時間長短就會不一。當然,在一般現實生活中這並不明顯;美國 NASA 曾經有過這樣一個實驗,把兩個極之準確的電子鐘對準,然後用火箭送其中一個上太空,高速地圍著地球繞圈。當那個鐘回到地球的時候,上過太空的鐘慢了幾千分之一秒。因為時間在高速運動中過得比較慢,但不能讓時間少於0,即是沒法回到過去。「時間」和「空間」本來就是同一種東西來的,「時間」會因為高速運動而扭曲,「空間」亦然。

 

2.「多維空間」(Multi-Dimensional Space)

通常的空間概念,是指由「長」、「寬」、「高」組成的「三維空間」。時間本身具有維度的某些特點,常被視為「第四維空間」,例如一條時間軸可以連接無數個三維空間,因此可以認為我們生活在 3+1 維時空(四維空間)中;但時間與長、寬、高卻是有很大的區別的,例如時間單位與長度單位是不一樣的,因此這還不算真正意義上的「多維空間」。由於「光子」(Photon) 只能在「三維空間」中傳播,人的肉眼無法看到其他可能存在的維度,這就使得對「多維空間」的探尋非常困難。但是,眾多的科學家、物理愛好者和科幻迷還是提出了各種有關於「多維空間」的理論。 

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在「平行宇宙」(Parallel Universe) 理論中,由於存在?無數多個「三維宇宙」,這些宇宙並不能通過「長」、「寬」、「高」或者時間進行相連,只能通過另外一條維度進行連接,因此「平行宇宙」本身就是一個 4+1 維時空(五維空間)。在「弦理論」 (String Theory) 中,認為各種「基本粒子」(Elementary Particle) 都是由很小很小的「線狀弦」組成的,在眾多現象難以用理論解釋的情況下,Edward Witten 提出了「十一維空間」的概念。有些人甚至認為,進入黑洞就可以穿越多維空間,當然都是尚未證實的理論。

假設我們在紙上面畫一條線,上面有一點,對於那一點而言,這條線就是一個「一維」(1D) 的空間。想像那一點是一隻生物,他一生之中,只可以沿著那條線前行,或者退後。 

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如果我們這個空間的維度增加,把它變成一個填滿的圖形,形成一個「二維」(2D) 的空間。那這空間中的生物就可以擁有形狀,可以是一點,可以是一條線,也可是任何形狀。他們可以在空間內前後左右的行走,但在他們眼中,其他生物也不過是「一條線」 (情況就好像我們從側面看一部平板電腦一樣),基於形狀不同,可能會在轉身時看到各自是「長度不一的線」。再增加一條維度 (高) 的話,空間就變成了一個立體 ,一個「三維」(3D)的空間,一個我和你都正身處的空間。 

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而在所有的這些空間上面,我們都可以加一條叫做「時間」 (Time) 的維度。即是 08:00 的空間,08:01 的空間加上 08:02 分的空間,就組成了這兩分鐘的空間。就好像像拍攝電影一樣,把一秒分為若干格,每一格都是一張菲林,那一整條菲林就是時間的維度了。所以說,一個世界,包含了四個維度(可觀察的),「長」、「寬」、「高」和「時間」。但理論上,「其他維度」是可能存在的,只不過我們仍未能觀察到,而且也很難。你可以想像如果你是一個生活在「二維空間」的生物,你根本無法理解「高度」是甚麼,因為所有人都只是「一條線」罷了。

《Interstellar》提出「五維」(5D) 空間,拓展「四維」空間論述,這亦時現時科學界討論得最熱熾的論述。戲中以畫面來建構人類從未看過的「五維」空間的時間與視覺世界,跟《Inception》的多重夢境結構互相呼應。

 

3.「蟲洞」(Wormhole)

「蟲洞」不是真的有蟲,這只是一個比喻罷了,根據「廣義相對論」,空間是彎曲的,我們所生活的這個「三維空間」很可能是一個「四維幾何體」的封閉曲面,從一個天體到另一個天體有很長的距離,如果能藉助「蟲洞」,那麼就節省了一定距離,「多維空間」中這種相互連接的通道就被稱為「蟲洞」。簡單一點說,「蟲洞」就是宇宙中的一條「小路捷徑」,可讓人類在短時間內通往極遙遠的星系,只是可惜按目前人類科技仍不足以打通這條「捷徑」而已。

《Interstellar》中,太空人找到在土星附近的蟲洞,太空船便趕在蟲洞消失前,直衝入洞,開啟穿梭宇宙之旅。戲中有科學家向男主角示範,假如宇宙真的同時有另一個平行宇宙,即像是一張可以對摺的紙,蟲洞就是穿越紙張兩面,由一邊宇宙,達到另一個平行宇宙的隧道。但能夠找到大自然產生「蟲洞」的機會極微。 

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4.「重力/引力」(Gravity/ Gravitation)

「引力」,又稱「萬有引力」,是指具有「質量」(Mass) 的物體之間相互吸引的作用,也是物體重量的來源,只要「質量」越大「引力」也越大;其實「引力」並非星體獨有,任何具有「質量」的物體 (包括你和我),都會有本身的「引力」,只是人體質量太眇小了,「引力」不足以察覺到而已!

「牛頓」(Newton) 從樹上掉下蘋果,發現「萬有引力」。「地球」的中央存在「引力」,而「銀河系」(Galaxy) 中的每個星體,都有「引力」,但「引力」所有帶來的重量,並不一樣。假設地球的「引力倍數」是 1,以此為標準倍數的話,「月球」(The Moon) 的「引力倍數」只有 0.16,即是在「月球」漫步,會「腳步浮浮」,毫不腳踏實地。相反,「木星」(Jupiter) 的「引力倍數」是 2.64,是「地球」的一倍以上,所以在「木星」步行,會相對「舉步為艱」。「太陽系」的星球中,以「太陽」的「質量」最大,所以「太陽」的「引力」也最大,倍數是 27.9,因此八大行星都會圍繞「太陽」來轉。而「引力」最小的,就是「月球」。

「愛因斯坦」的「相對論」突破了「牛頓」認為時間是一致的想法,他認為,時間受引力影響而不一致。《蟲洞偷渡:時間旅行理論與實踐》一書,作者提到,「每個星球都有自己的時間,有些星球,時間會走得快些,有些走得慢些。宇宙之中,沒有同一時間這回事。」書中解釋,愛因斯坦提到,巨大「重力」可以扭曲「時間」和「空間」。

 而《Interstellar》其中經常提及,而且非常重要的概念,是關於「引力」與「時間」的關係。故事中男主角以光速飛行到太空,在受巨大「重力」影響的星球上,他們經歷的時間,與地球人不相同;在太空的時間,比地球要慢。 

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5.「黑洞」(Blackhole)

「黑洞」是由一種叫「引力崩塌」(Gravitational Collapse) 的現象所形成的;當一個「質量」極大的「恆星」(比太陽還要大得多) 的燃料耗盡,「引力」跟「能量」的持久拉鋸戰結束,「引力」已再沒有東西可以制衡它,當「重力」超越臨界點的時候,恆星就會被自身的「重力」壓垮形成內爆,巨大恆星物質往中心塌縮,然後半徑慚慚縮少,中心密度越高,也越重,最後因為「重力」完全失控崩塌,一切的東西都無法再逃出來,包括光,最終變成了「黑洞」。

「黑洞」就好像一個「三維空間」的漏斗一樣,所有接近它的星體都會圍著它公轉,然後公轉的半徑慢慢縮少,形成旋渦,最後被吸到中心去 (情況跟洗手盆去水孔相似)。「站在一個離「黑洞」很遠的地方觀察一艘太空船駛入「黑洞」中,觀測者會看到太空船在接近「黑洞」邊緣(稱為「視界」)的同時,其中的太空人動作會無止盡地慢下來,太空船內所掛的鐘也會無止盡地慢下來而趨完全靜止」,相反,「太空船裡的人而言,在太空船漸漸接近黑洞時,他會發現外面遠處的觀測者動作漸漸變快,就像是錄影帶影片的快轉播放一般」。這對於理解《Interstellar》的時間觀,非常重要。

上面也提到「重力」愈大,「時間」過得愈慢。「黑洞」是「重力」極大,「時間」與「空間」也極度扭曲的地方;《Interstellar》中「永續號」(Endurance) 先到達 Miller星,隨即發現附近有一旋轉「黑洞」Gargantua,其巨大「引力」使 Miller 星的時間流逝比地球時間緩慢,逗留在 Miller 星上面一小時即相等於地球七年。 

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6.「事件視界」(Event Horizon)

「事件視界」是「黑洞」中發出的光所能到達的最遠距離,也就是「黑洞」最外層的邊界。是視界內任何的事物皆無法超越的臨界點。在非常巨大的重力影響下,除非「黑洞」附近的逃逸速度大於光速,否則連光線皆不可能從「事件視界」內部逃脫。根據「廣義相對論」,在遠離視界的外部觀察者眼中,任何從視界外部接近視界的物件,將須要用無限長的時間到達視界面,其影像會經歷無止境逐漸增強的「紅移」(Redshift);但該物件本身卻不會感到任何異常,並會在有限時間之內穿過視界。

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7.「奇點」(Singularity)

「奇點」是指一個體積無限小、「密度」(Density) 無限大、「時空曲率」(Spacetime Curvature) 無限大的點。兩種最重要的時空「奇點」的類型分別是「曲率奇點」(Curvature Singularity) 和「錐形奇點」(Conical Singularities)。「奇點」亦可根據「事件視界」的存在與否作分類,不被「事件視界」覆蓋的稱為「裸奇點」(Naked Singularities)。根據「廣義相對論」,在大爆炸發生以前,字宙的初始狀態亦為一個「奇點」。

 

8.「牛頓第三定律」(Newton's Third Law of Motion)

當兩個物體互相作用時,有「作用力」(Action),就有「反作用力」(Reaction)。

原文:每一個「作用力」都對應著一個相等反抗的「反作用力」:也就是說,兩個物體彼此施加於對方的力總是大小相等、方向相反。
 (To every action there is always opposed an equal reaction: or the mutual actions of two bodies upon each other are always equal, and directed to contrary parts.)

簡單來說,當你一拳打向牆壁時,你的手會痛,因為你的拳頭(物體一)對牆壁(物體二)產生了「作用力」,所以牆壁也會向你的手產生「反作用力」。「力」總是一雙一對地出現的。

 

9.「梅菲定律」(Murphy’s Law)

「凡是有機會出錯的,都會出錯。」(Anything that can go wrong will go wrong)。這其實並不是什麼科學理論或定律,只是類似「只要我買了哪隻股票,那隻股票就會跌。」的晦氣說話。是誰第一個說的已經無從稽考,但命名「Murphy’s Law」的起源則有個故事。

話說 1949 年美國「愛德華空軍基地」(Edwards Air Force Base),當時有一個工程師 Edward A. Murphy,有一日,他發現一個技術人員接駁電線出錯,就嘲笑他說:「他總是會找到方法去出錯。」(If there is any way to do it wrong, he'll find it.)然後有人把 Murphy 的說話記下來,並稱為 Murphy’s Law。

直至在一次記者會的時候,Dr. John Paul Stapp 提到他們安全紀綠良好的原因,正正是因為他們追隨「Murhpy's Law」。然後是傳媒大幅的引用,最後成為了一種定律又或是新俚語,總之「Murhpy’s Law」就等於『Anything that can go wrong will go wrong。』

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kason2047 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(1) 人氣()


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  • 夏子
  • 我是個科學白痴,雖然仍不是十分明白,不過看完也算是有初步概念吧! 謝謝
  • U A Welcome ^^

    kason2047 於 2014/11/15 11:25 回覆

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