揭開星際啟示錄

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電影製作人之一Kip Thorne是天體物理學家,電影中的黑洞是根據物理理論嚴謹製作出來的。(網上圖片)

看完《星際啟示錄》,大家低頭默默離場,腦袋卻像外太空一樣空蕩蕩,一個個名詞、概念就如滿天星星。
網上有人說,不要帶港女去看這套電影。
事實上,可能有很多人,也會忍不住想問以下問題:黑洞是不是一個洞?黑洞裏面是怎樣的?
蟲洞又是什麼?那不是有點像多啦A夢的隨意門嗎?
為什麼在一個星球上待一小時,就會等於在地球七年?
既然如此,我們向太空館查找相關太空資料,也找來中大物理學講師練立明博士問個究竟。
該電影監製及顧問Kip Thorne天體物理學家,原來是練博士的師公,練博士說這套電影與其他科幻電影最大分別的是,當中的理論都是有根有據,而導演Christopher Nolan則把物理學用電影手法演繹一次。

一人有一個不同的鐘?
別人的星球一小時,竟然等於地球的七年?時間不是只有一種嗎?要理解電影中的天文和物理概念,就需要惡補一點物理學的底子,練博士盡量用比喻來解釋,化繁為簡。首先要記着,根據愛因斯坦的「相對論」,時間和空間,都是相對的。十七世紀,牛頓因為掉下來的蘋果,發現「萬有引力」,凡是有質量的東西,都有吸引力,所以地球和蘋果各自也有引力,地球質量大很多,所以把蘋果吸下來。而牛頓的萬有引力,前提是指全宇宙有同一個時間,用同一個鐘。直到一九○五年,愛因斯坦發表了「狹義相對論」,提出時間不是絕對的,而是相對,即是說,每個人的時間都可以不相同,每個人可以有一個不同的鐘,在有不同運動(movement)的情况下,就影響了這個人的鐘。例如有一個人坐在火車卡之中,車卡的前門和後門同時發生了事情,而在月台上靜止的人,所看到移動中的火車發生的事情,會發現不是同時發生的。事情的間隔對一個人來說可以是一秒,但對另一個人來說,可以不止一秒,而每個人只會看自己的鐘,每個人得出的結論都可以不同。

愈近大質量星體 時間過得愈慢
於是,愛因斯坦再花了很長的時間,想發展出一套理論,能夠取締萬有引力,終於在十年後,即一九一五年,提出了「廣義相對論」。「廣義相對論」指,不是因為有神秘的引力,而是有質量的星體,會令附近的時間和空間都出現彎曲。這樣彎曲可以比喻為,在一個平面上,如果將乒乓球推出去,球會直線向前滾,若將一個大質量球體,壓在這個平面上,再將乒乓球推出去,乒乓球就會繞着大球體滾動。即是說,愈接近一個大質量的星體,時間就過得愈慢;距離愈遠,時間就愈快。簡單點說,就是即使在地球,住一樓的人的時間會較慢,住二十樓的人的時間會較快,當然當中差異實在是太細微,所以人並不察覺。

在日常生活中,這個理論也派得上用場,我們常用的GPS,以衛星進行地面測量,但衛星因為距離地球很遠,所以時間相對地球表面的人會快一點,練博士說,即使衛星時間比地面時間快十億分之一秒,所測出的路面距離誤差可能已經有一米,所以在研發GPS時,科學家已經做好了時間的修正。用來研究電影裏的橋段,就可以解釋,為何去一趟黑洞旁邊的Miller星,在那裏逗留一小時,等於在地球的七年。愈接近大質量星體甚至黑洞,時間過得愈慢,距離愈遠,時間過得愈快,所以當男女主角回到在Miller星外面等他們的太空船上,船員Romilly已經老了二十三年了。

話說,電影裏還有一個橋段,是假扮萬有引力,就是太空船不斷自轉,形成一種引力,讓太空人在太空船裏也能坐立行走。而在最後Cooper被救起時,到達女兒Murphy的巨型太空船上,為何醫院窗外的環境,會有點像《潛行凶間》(Inception)裏呈直角屈起的地面?練博士估計,因為那是一艘圓筒形的太空船,不停自轉,所以網球會轉彎打到上邊的屋的窗子,人和物可以像有引力一樣貼在彎起的地面上。

解難一﹕黑洞全黑?
黑洞,名副其實是黑色的,肉眼應該看不見,至於為何電影裏的黑洞會是一個火環似的形象?練博士指電影製作團隊,其實有計算過複雜的數學方程式,再用電腦模擬,的確把黑洞的光學現象還原得很貼近愛因斯坦的理論,「如果你真是那個太空人,在那個環境裏,真的可以見到」。

黑洞的形成,可以說是超過二十至三十個太陽質量的星體,燃燒到最後不斷塌縮,變成漏斗形的坑洞,且愈來愈深,是一條不歸路。這時的引力變得非常大,大得連旁邊的氣體也被拉進去,因為拉扯的速度非常快,在摩擦之下產生很高的能量,就是輻射或X光,簡單即是光,所以我們會看到黑洞周邊「視界」之外,圍了一圈光。而橫向的一束光,像土星環一樣圍着黑洞,就稱為「吸積盤」。至於黑洞最中心,稱為「奇點」,理論上是一個密度無限大的地方,但直至現在,黑洞最裏面到底是什麼樣子,或「奇點」存不存在,仍尚未有答案。有人會問,主角後來跌進黑洞,但黑洞的引力那麼大,不是會把人撕成碎片嗎?練博士卻認為,因為那是一個超巨大黑洞,可能有幾十億個太陽的質量,人的頭與腳承受的引力卻沒有相差很大,反而有可能會很順利地掉進去。

太空館提供的資料亦顯示,找尋X射線源是現今找尋黑洞的重要方法。在天文學的觀測上,在絕大部分星系的中心,包括我們身處的銀河系,都有可能存在超大質量的黑洞,而天鵝座X-1便是最早發現的懷疑黑洞。

解難二﹕蟲洞是否存在?
電影裏的蟲洞,像一個空間通道,本來相距十萬光年的地方,可以一下子就穿過,讓太空人能夠星際旅行。但直至今天,沒人知道蟲洞是否存在,相反,它其實是一條廣義相對論中的方程式的數學解答(solution)。太空館資料提及,在一九三○年代,愛因斯坦和物理學家羅森發現,在繁複的引力場方程式中,已暗示宇宙裏可能存在這樣的通道,被稱為「愛因斯坦——羅森橋」。到一九八五年,著名天文學家薩根寫成科幻小說《超時空接觸》,邀請過電影顧問及物理學家一同研究,證實瞬間宇宙旅行在科學理論上的可行性。

至今沒人知道蟲洞如何形成,練博士指如果要像電影一樣,製造出可以讓人穿過而且最少有兩米大的蟲洞,需要有一些物質來支撐洞的門口,但這些物質要有負能量的特性,這在物理學裏尚未找到。在量子力學上,也有一定可能,但這些負能量消失得太快,要有一個足夠大和穩定的蟲洞,只能像戲裏般靠高智慧外星人幫忙,把蟲洞放到土星旁邊。理論上,如果能解決負能量上的問題,蟲洞除可做到星際旅行(space travel),還可做到時間旅行(time travel),回到過去。

解難三﹕第五次元是什麼?
Cooper掉進黑洞之後,就進入了一個第五次元空間,時間和空間變成一格格,可以前進或者倒退。第五次元空間是什麼?其實「次元」這個名詞,來自日本動漫的幻想世界,在物理學裏,次元稱作「維度」(dimension)。第一次元,有一個維度,簡單來說,就是螞蟻在一條線上。第二次元,有兩個維度,變成螞蟻在一個平面上。第三次元,包括長、闊、高三個維度,變成螞蟻在一個立方體裏。第四次元,在一個立體空間裏,時間也成為一個維度,這也就是人類存在的地方。至於第五次元,練博士認為,可能是外星人的世界,有多一個維度或長度,就像我們看着一個球上的螞蟻,可以加以操控,把牠拿起,再放到另外一邊。除了第五維,其實維度還可以算到十至十一維,不過這已經是物理學更深入的研究範疇了。

梅菲定律:可能錯的終會錯
電影主角給女兒起名梅菲,來自梅菲定律(Murphy’s Law),簡單即是指,凡有可能出錯的事情,必定會出錯。在科學上說,如果一件事發生的機率大於零,就不能假設它不會發生。引伸出在管理上「所有的程序都有缺陷」,所以要因應事情來做充足準備。這個定律被視為一句格言多於一條科學公式。
2014.11.30@interstellar
(2014年11月30日 明報 > 副刊 > 星期日生活 > 通識導賞)

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