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2012年9月30日 星期日

與小女兒談談這個宇宙 – 黑洞 III - 哆啦A夢的任意門-相對時間

她說:媽媽,快一點啦!我們來談哆啦A夢的任意門和時光機,我也很想擁有這樣的東西。像大雄一樣,只要穿過這個門或跳上時光機,咻一下,想去哪裡就去哪裡,而且還可以回到過去或前往未來不同的時空。


我說:我小時候如果讀到這類的東西,像陶淵明的桃花源記,通過一個山洞,即進入另一個世界,或者在科幻小說中,利用時光機回到過去或未來改變歷史雖然覺得他們想像力真浪漫真好。但也常不自覺這些作者真是偷懶。因為什麼理論困難都不用加以解釋,只要咻一下,問題就解決了,於是故事happy ending,大家都高興。也不想想在現實狀況下根本不可行…”

她說:真的完全不可行嗎?”
我說:但後來讀了愛因斯坦的相對論後,才知道原來這是可能的。
她說:如何做到呢?”
我說:還記得我們之前提到愛因斯坦的廣義相對論,解釋物質的質量如何造成空間的彎曲…”
她說:記得啊,你曾經讓我看過下面這張圖的video
 

而且你還說過重力,就是牛頓的萬有引力,是因為物質彎曲了附近的時空結構所產生的結果。重力和加速度運動在實際效果上是無法分辨的。所以一個物質在太空中應該是沿著直線跑,但若跑進一個彎曲的時空時,它所跑的路線會隨著時空彎曲而彎曲。
我說:真好,你還記的。

她說:因為你說過很多遍啊,雖然其實真難想像彎曲的時空,和我們的認知差好多。

我說:是有點。因為在重力不強的時候,像我們現在,時空彎曲的影響實在很小,所以幾乎可以完全忽略它。但是,黑洞就不一樣了。因為其超大重力,而嚴重扭曲了時空,所以有可能變成這樣
 

因此假如我們和距離我們最近的恆星鄰居<半人馬座比鄰星>的空間可以彎曲摺疊成如此
那我們乘坐太空船,從地球飛到離我們最近的恆星鄰居<半人馬座比鄰星>,就不需要經由紅色路線的3948000億公里(4.2光年),而是經由綠色隧道的捷徑了。
她說:這就是哆啦A夢的任意門囉!
我說:這個綠色隧道,就是人稱的蟲洞(Wormhole)
她說:為什麼叫蟲洞?”
我說:上次我們從台灣出發到幾乎在地球另一面的紐約,我們是怎麼去的,你還記得嗎?”
她說:我們是不是在一個鋪天蓋地四周都是雪的機場轉機我想起來了,那是安克拉治。
我說:沒錯,我們是沿著地球的表面往東北飛到阿拉斯加的安克拉治,再繼續往東南飛到紐約。但你想想這其實並不是最短的路徑,因為地球是圓的。如果蘋果上有一隻蟲,它想到蘋果的另一面(AB),最短的路徑其實是直接鑽進蘋果裡面,啃出一條直線隧道,這樣就可以大量減少在蘋果表面長途跋涉的時間了,這樣的隧道就被稱為蟲洞。所以你看兩點之間的最短距離不是平面二次元上的直線,而是蟲洞!”


她說:我知道喔,像把這張紙對摺起來,紙上面的A點和B點就疊在一起了,這才是紙上A點到B點的最短路徑。
 


我說:好聰明喔!蟲洞(Wormhole)是由愛因斯坦和他的同事羅森在研究引力時的假設,因而叫做愛因斯坦-羅森橋,是用來做瞬間的空間或時間旅行。原意固然很吸引人,但是因為不可行,所以一下子就被擱著了。

她說:為什麼不可行?”
我說:你想想看,黑洞裡面無限大的密度,無限大的重力,這樣強大的重力會摧毀一切啦,包含我們的太空船,我們的身體,我們的細胞,分子,原子裡的電子,甚至原子裡的質子中子,全部會被扯裂,我們是不可能通過這個隧道還好好活著的。
她說:所以這只是幻想和數學上的假設和樂趣喔,有點可惜。
我說:可是過了三十幾年後出現了轉機。有個紐西蘭的數學家克爾,他發現了愛因斯坦方程式的另一個解法。他假設任何崩潰的恆星都會旋轉,而且應該會越轉越快,一如溜冰選手把手縮回來時,半徑變小圈圈就轉得更快。所以形成黑洞時,應該會成為動態的黑洞,而非靜態黑洞。

她說:但怎麼鑽過一個一直旋轉的黑洞啊?”
我說:克爾還發現一個一直在旋轉的恆星最後並不會坍縮成一點,而是會壓縮成為一個環。
她說:好玄哦。
我說:因為重力雖然會使環崩塌,但是旋轉的離心力又會使環變強而抵消了重力,最後這個旋轉的環就會趨於穩定。所以如果你小心地駕著太空船,沿著旋轉黑洞的軸心進入,重力雖然很大但還不至於無限,是有可能通過環,到黑洞的另一邊去。

她說:所以,我們就可以咻的造訪230萬光年外美麗的仙女座,進行跨星際旅行,也可以到另一個宇宙去,也能充當時間機器,作時光旅行…”
 
我說:對啊,是充滿無限可能只要我們有能力把我們的空間捲起來,讓我們的太空船穿越蟲洞,穿越這皺起來的空間,距離就再也不是問題了下一次我們來談那如何進行時光旅行。

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