藍色情懷

蟲洞理論

提 起 黑 洞 ， 大 家 或 許 會 想 起 「 蟲 洞 」 、 「 時 光 隧 道 」 等 帶 有 濃 厚 科 幻 色 彩 的 概 念 。 在 科 幻 小 說 和 電 影 中 ， 太 空 船 可 能 以 黑 洞 為 入 口 ， 並 通 過 「 蟲 洞 」 穿 越 時 空 ， 然 後 在 另 一 個 宇 宙 的 空 間 走 出 來 。 然 而 ， 現 代 大 部 份 天 文 學 家 對 於 這 些 時 空 穿 梭 的 概 念 並 沒 有 多 大 的 興 趣 ， 原 因 是 他 們 在 宇 宙 中 既 找 不 到 形 成 「 蟲 洞 」 的 機 制 ， 也 沒 有 任 何 方 法 可 以 透 過 天 文 觀 測 驗 證 「 蟲 洞 」 的 存 在 。 而 且 ， 現 代 的 一 些 理 論 研 究 也 表 明 ， 「 蟲 洞 」 即 使 存 在 ， 也 是 非 常 不 穩 定 的 ， 即 使 極 少 的 物 質 經 過 ， 也 會 使 它 立 刻 塌 縮 。 所 以 到 目 前 為 止 ， 利 用 黑 洞 時 空 穿 梭 等 概 念 只 可 以 被 視 為 科 幻 作 品 的 題 材 ， 而 不 屬 於 認 真 科 學 研 究 的 範 疇 。

除 去 了 一 些 無 法 驗 證 的 猜 想 ， 近 年 來 天 文 學 家 對 黑 洞 的 研 究 興 趣 卻 有 增 無 減 。 是 甚 麼 新 發 現 促 使 天 文 學 家 努 力 不 懈 地 鑽 研 有 關 黑 洞 的 一 切 ？ 研 究 黑 洞 對 了 解 宇 宙 的 演 化 又 有 甚 麼 幫 助 ？

早 在 十 八 世 紀 ， 拉 普 拉 斯 等 人 已 經 提 出 了 密 度 極 高 的 天 體 可 能 會 使 附 近 的 光 線 不 能 逃 離 的 構 想 。 愛 因 斯 坦 在 二 十 世 紀 初 發 表 了 廣 義 相 對 論 後 不 久 ， 史 瓦 西 便 利 用 廣 義 相 對 論 方 程 求 得 一 個 描 述 球 對 稱 天 體 附 近 時 空 結 構 的 解 ， 為 黑 洞 的 研 究 展 開 了 序 幕 。 後 來 奧 本 海 默 等 人 透 過 計 算 ， 證 明 大 質 量 星 體 在 重 力 塌 縮 下 的 確 可 以 形 成 黑 洞 。 不 過 ， 天 文 學 家 到 了 七 十 年 代 ， 才 開 始 有 系 統 地 透 過 觀 測 ， 在 雙 星 系 統 中 尋 找 黑 洞 存 在 的 證 據 。 到 了 二 十 世 紀 末 ， 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 升 空 ， 大 量 的 觀 測 證 據 湧 現 ， 不 但 使 我 們 更 加 確 信 黑 洞 的 存 在 ， 而 最 令 人 驚 奇 的 是 ， 黑 洞 的 存 在 形 式 和 產 生 機 制 ， 遠 比 我 們 想 像 中 的 多 和 複 雜 。 不 同 類 型 的 黑 洞 ， 其 大 小 竟 然 可 以 由 幾 個 太 陽 質 量 至 幾 十 億 個 太 陽 質 量 不 等 ！ 更 重 要 的 是 ， 這 些 不 同 類 型 的 黑 洞 的 存 在 和 與 它 們 相 關 的 天 文 現 象 ， 往 往 為 人 類 了 解 恆 星 、 星 系 以 至 整 個 宇 宙 的 演 化 ， 帶 來 了 深 遠 的 啟 示 。

人 們 最 早 透 過 觀 測 雙 星 系 統 尋 找 黑 洞 存 在 的 證 據 。 如 果 發 現 一 顆 恆 星 與 一 顆 黑 暗 的 天 體 互 相 繞 著 對 方 旋 轉 ， 而 從 光 譜 分 析 軌 道 ， 發 現 黑 暗 天 體 的 質 量 大 於 太 陽 的 3.5 倍 ， 那 麼 這 個 黑 暗 天 體 便 很 有 可 能 是 一 個 黑 洞 。 我 們 以 質 量 大 於 太 陽 的 3.5 倍 作 為 判 別 黑 洞 的 標 準 ， 是 因 為 從 理 論 上 得 知 ， 其 他 致 密 天 體（ 如 中 子 星 ）的 質 量 都 不 可 能 超 越 這 個 上 限 ， 否 則 它 們 便 會 因 為 本 身 的 重 力 而 塌 縮 成 黑 洞 。 不 過 ， 從 光 譜 分 析 以 決 定 黑 暗 的 伴 星 的 質 量 並 不 是 一 項 容 易 的 觀 測 工 作 。 過 去 天 文 學 家 往 往 因 為 無 法 準 確 量 度 可 見 恆 星 的 光 度 和 軌 道 傾 斜 度 等 因 素 而 錯 誤 地 估 計 了 黑 暗 天 體 的 質 量 。 另 一 個 重 要 的 觀 測 對 象 是 致 密 天 體 因 為 吸 食 伴 星 物 質 而 形 成 的 吸 積 盤 。 對 於 中 子 星 和 黑 洞 來 說 ， 龐 大 的 重 力 使 吸 積 盤 內 物 質 的 溫 度 大 幅 上 升 ， 發 出 能 量 很 高 的 X 射 線 。 觀 測 星 空 中 的 X 射 線 源 成 為 尋 找 雙 星 系 統 中 的 中 子 星 或 黑 洞 的 最 重 要 方 法 。

近 年 天 文 學 家 利 用 觀 測 X 射 線 的 衛 星 ， 對 於 分 辨 中 子 星 和 黑 洞 取 得 很 大 的 進 展 。 中 子 星 和 黑 洞 的 重 要 不 同 之 處 ， 是 中 子 星 有 一 個 固 體 表 面 ， 而 黑 洞 則 沒 有 。 研 究 發 現 ， 在 雙 星 系 統 中 ， 伴 星 的 物 質 掉 落 中 子 星 的 表 面 時 會 釋 放 巨 大 能 量 ， 而 物 質 掉 落 黑 洞 時 ， 則 會 與 它 所 擁 有 能 量 一 同 消 失 於 視 界 之 中 ； 因 此 含 有 中 子 星 的 雙 星 系 統 所 發 出 的 X 射 線 強 度 總 是 較 高 ， 而 光 譜 也 有 不 同 的 特 徵 。 事 實 上 ， 黑 洞 在 吸 積 物 質 過 程 中 所 吞 噬 的 能 量 ， 可 能 較 過 程 中 所 輻 射 的 能 量 高 出 百 倍 。 天 文 學 家 已 經 幾 乎 可 以 肯 定 很 多 X 射 線 雙 星 所 包 含 的 黑 暗 天 體 是 黑 洞 而 非 中 子 星 ， 其 中 最 著 名 的 例 子 包 括 天 鵝 座 V404 等 。

長 久 以 來 ， 黑 洞 的 視 界 及 種 種 與 之 相 關 的 奇 怪 現 象 都 只 是 一 些 理 論 性 的 推 論 。 但 近 年 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 的 觀 測 竟 然 為 黑 洞 視 界 的 存 在 提 供 了 一 些 有 力 的 證 據 。 研 究 人 員 分 析 了 極 大 量 來 自 致 密 天 體 天 鵝 座 XR-1 的 紫 外 線 輻 射 ， 發 現 其 中 兩 組 數 據 顯 示 ， 輻 射 脈 衝 的 週 期 隨 時 間 縮 短 ， 而 其 強 度 則 隨 時 間 衰 減 至 消 失 ， 這 現 象 與 一 些 物 質 在 接 近 黑 洞 視 界 時 繞 著 黑 洞 急 促 旋 轉 ， 放 出 的 輻 射 因 為 重 力 紅 移 而 衰 減 的 情 況 相 符 。 雖 然 目 前 的 觀 測 技 術 尚 未 允 許 我 們 直 接 看 到 黑 洞 的 視 界 ， 所 以 有 關 黑 洞 產 生 的 重 力 紅 移 或 者 類 似 的 觀 測 結 果 都 不 是 決 定 性 的 ， 但 這 些 結 果 無 疑 會 成 為 連 繫 黑 洞 理 論 和 實 際 觀 測 的 重 要 橋 樑 。

黑洞、蟲洞、和時間旅行

時間旅行是許多人的夢想，理論物理學家則扮演築夢人的角色。

惠勒（John A. Wheeler）延伸廣義相對論的研究，預言大質量恆星會因為重力而崩潰，形成一個連光線都無法逃離的「黑洞」（black hole）。舒瓦茲（Karl Schwarzschild）進一步發現黑洞內部奇異的時空概念，揭開它神秘的面紗。

黑洞中是否連接不同宇宙時空？愛因斯坦和羅森（Nathan Rosen）首先計算出靜止黑洞的中央存在一個連接兩個不同宇宙的橋樑，稱為「愛因斯坦羅森橋」（Einstein-Rosen bridge）。愛因斯坦認為任何被黑洞吸入的物體必然會撞毀，使得兩個宇宙間彼此交通往來被視為不可能任務。

不過克爾（Roy P. Kerr）在1963年提出旋轉黑洞的模型，重新計算發現太空船有機會通過兩個宇宙，完成時間旅行的任務。雖然透過黑洞進行不同宇宙間的旅行是可能的，不過目的地卻無法控制，還必須克服強大重力場的問題。

1988年莫里斯（Michael Morris）和索恩（Kip Thorne）在卡爾沙根（Carl Sagan）的建議下，重新思考能夠隨意彎曲時空的方法，發展出一套能夠連結不同時空的「蟲洞理論」（warm hole theory），這是一個穩定而持久的蟲洞，任何經過蟲洞的旅客都可以在一瞬間輕鬆越過幾百光年的空間，而無須面對強大的重力場，電影《接觸未來》（Contact）就是以此為題材所拍攝。

然而要打開蟲洞，必須引進比真空能量還低的「負能量」（negative energy）觀念。1948年卡季米爾（Hendrik Casimir）指出負能量源自於真空中的「零點能量」（zero point energy）。他用兩塊不帶電的金屬板並聯，在兩者之間創造真空，並測量到微弱的吸引力，證明真空中並非空無一物。根據量子理論中的測不準原理，真空中具有數以兆計成對正反粒子生成又消滅，這些虛擬粒子是產生微弱吸引力的原因。時空觀念在這個尺度之下如同許多量子泡沫，想像無數個小型蟲洞來回穿梭於無窮多個宇宙之間，莫里斯索恩認為理論上只要引進足夠大的負能量，就可以創造大型蟲洞。

莫里斯索恩的蟲洞純為理論上的產物，以目前地球的科技水準，就算耗盡所有已知的能量也無法打開蟲洞，具有龐大負能量的物質也不存在於地球上。不過蟲洞的概念卻成為科幻小說和電影的絕佳題材，如科幻影集《星艦謎航》（Star Trek）中把太空船裝上「曲速引擎」（warp speed engine），利用摺疊空間的觀念進行蟲洞之旅。

時間旅行基本上有兩種方式：回到過去、和前進未來。前進未來比較沒有爭議性，但是回到過去的觀念卻使得傳統因果論面臨前所未有的挑戰，所有的矛盾可以簡單歸納成兩類：

第一、在你出生前遇到自己的父母，或遇到過去的自己。由於沒有物理定律可以限制回到過去的人將自己或自己的父母殺害，因此造成因果的矛盾。

第二、沒有過去的人。旅客用時光旅行製造迴圈，完成自己的生活史，結果自己同時也是自己的祖父、兒子、與孫子。耐人尋味的是，經過霍金的計算結果，這些不合理的時光旅行迴圈（time-travel loop hole）都會因為能量急遽增加而自我毀滅，因此任何合理的時間旅行均不能改變過去，而是完成過去！

蟲洞在二維環境的模擬

References: