圖解《星際效應》的科學事實與想像

之三,《星際效應》的科學事實與想像

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雀雀的第一篇《星際效應》(人性至上的末日寓言)談到本片導演克里斯多福諾蘭可能有意無意地想讓觀眾將《星際效應》視為「鬼片」(或者說是神片也行),第二篇文章《星際效應》(科學與神蹟)則是聊「科學能創造神蹟,科幻片等同於鬼片」的概念。至於這個第三篇《星際效應》,我們就好好來聊聊科學吧。

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淺談原理(重力扭曲時空、超弦理論、諾蘭的五次元時空)

《星際效應》的一切,當然離不開科學。

首先我們知道,人類所存在的空間是三維空間(三度空間),而「時間」是「第四個維度」。「時間」之於三維世界的我們而言,是無法控制的,即使我們透過科技的發展,從汽車道飛機,縮短了到世界各地的時間,但我們依然無法隨心所欲的去到任一個時間座標,無法回到過去也無法穿越未來。而《星際效應》所用到的科學概念,很像是融合了既有的科學常識與其來有自的科學假設,由權威物理學家基普索恩Kip Thorne擔任聯合製作,導演諾蘭這次打造出來的科幻片,不是天馬行空的視覺特效,而是貨真價實的天文物理,讓世人用最粗最娛樂與美麗的方式,理解愛因斯坦相對論中的「重力」。

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神奇的「重力」

或許雀雀在研究所時代對蟲洞研究所做的相關diagram(圖解)可以幫助大家有個粗淺的了解:
在愛因斯坦的廣義相對論中,三維的空間加上時間維度成了四維的「時空」。為了呈現重力對於時空的影響,科學家將時空描述成
平直光滑有如一張無限延伸的床單,當一個重物掉入床單上產生重量,讓原本平坦的床單產生凹陷,也代表了「重力」扭曲了「時空」。

重力透鏡效應

先以光線作為例子,光依然如我們所認知的在時空座標上直線前進,但在經過星體(包含恆星及黑洞)產生的重力場時,因為時空被扭曲了、座標歪了,雖然光還是自以為的直線前進,但對於在地球上觀測的人類來說,看到的光,其實已經偏折了。以上是所謂的重力透鏡效應,雖然《星際效應》中並未提到,但在釋出的電影特輯中,特效團隊利用物理學家基普索恩所假設並計算的數學式,讓黑洞週邊的重力透鏡效應呈現在大螢幕上,也因此觀眾在電影中看到的是最接近理論的宇宙現象。(諾蘭:爺拍的不是特效,爺拍的是真正的天文物理)

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(圖1重力扭曲時空與重理透鏡效應

引力時間膨脹

回頭來說時間,若一格格小方格代表一個固定的時間單位,因為重力讓時空扭曲,附近的方格也被拉大。若一台太空梭經過重力場附近扭曲的方格,度過一個單位時間,在同時另一台太空梭在沒有受重理場影響的方格,可以度過兩個甚至更多的單位時間。重力讓時空扭曲、讓時間膨脹,在重力場附近的時間過得慢,遠離重力場時間過得快;在強大重力場附近度過1小時,遠離重力場可能數年。

簡單的舉例,假設你坐太空梭去另一個比地球重力大很多的星球,或是經過黑洞邊緣一年,之後再回到地球,地球可能已經過了十年、廿年或三十年以上了。
如圖2在黑洞附近受重力影響,可能待一個小時,地球就過了七年若進入黑洞的視界(黑洞的邊緣,和物質包含光線若進入視界則無法逃脫),則地球可能過了二十、三十年;若掉進了奇點(奇異點,黑洞中心,重力無限大),目前已知的物理定律與假設都會失效,電影在這有個充滿可學想像的轉折。

星際效應Interstellar model by雀雀看電影 (2)  
  
(圖2)

蟲洞

由於扭曲時空需要靠的是重力,若人類到能夠控制且產生重力,那麼便能扭曲時空,那就有機會得以產生黑洞(引力極大,吸收週邊一切物質能量的星體),及相對應的白洞(與黑洞完全相反,將能量物質不斷對外射出的星體)。兩者透過蟲洞連結,就可以穿越時空。但在《星際效應》中,人類還未擁有控制重力的文明。

我們可以一張宇宙想像成一張白紙,而人類是白紙上的螞蟻,二維世界的簍蟻只看到自己身處一片茫然白紙卻無法看到拿著紙張的三維世界的人類。人類好心地幫螞蟻把紙彎曲對折,讓螞蟻瞬間從A走到B,但螞蟻卻不會明白是誰用什麼樣的方式讓牠迅速到達。

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(圖3:螞蟻自己從A到B最好的路徑是直線,但人類幫它把紙對折,它就可以瞬間直達)

同理,我們人類對於高維世界的人而言,就是簍蟻。

在《星際效應》裡面,不知道是誰(未來人類或是神?)把時空彎曲對折、生出了蟲洞,於是總之電影裡面的這支「漫遊者」太空團隊打算經過這蟲洞,去尋找適合人類居住的星球。

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(圖4:《星際效應》漫遊者號的計畫就是從A到B)

但圖2有說,經過超大重力場,時間會變慢(甚至停滯),所以「漫遊者」的團隊都有心理準備,甚至算出來他們在某星球上停駐一小時等於地球已經過了七年。
或許你可以問問自己這個有趣的問題:如果你是太空人,去了外太空經過強重力場一年之後,回到地球、地球已經過了五十年,這樣,算不算是「回到未來」呢?

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(圖5有不知名人士,為地球人開了蟲洞)

超弦理論

接下來要簡單跟大家講一下《星際效應》只出現一下下,但卻是關鍵劇情中使用到的超弦理論。

目前所知的物理中,所有的物質是由夸克和電子所組成(夸克組成中子跟質子,質子中子組成原子核,原子核與電子組成大部分人認知的物質最小單位:原子),而包含夸克與電子的多種基本粒子之間存在各式各樣的「力」,讓這些粒子得以組成物質,並相互作用,這些力被分類成四大作用力:重力、電磁力、弱力及強力。但到這邊遺憾的有二:一是相對論只能解釋重力卻無法符合屬於量子力學的其他三力二是這些力量如何產生?是否擁有共同的根基。

於是超弦理論被科學家提出,簡單講就是在高次元世界中,弦的運動控制著三度空間中的基本粒子,任何物質(不論是沙塵還是一根秒針)都是由弦的不同振動模式所產生。自然界所有物質與能量的相互作用,都可以用弦的運動來解釋。每一個基本粒子內部,都有一根細細的線在振動,就像小提琴琴弦的振動一樣。撥動一根弦,就能聽到一個音;撥動另一根弦,就會聽到另一個不同的音調。在數學上,要滿足抄弦理論必須要到11維度(10維度+1維空間)。因此,在三次元的我們當然看不見這些弦!這些弦,只有處於高次元的「他們」(久遠未來的人、過去的人、外星人、或是神)才能看見、能撥動。

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(圖6超弦理論示意圖
 

(以下有雷)

星際效應的五次元時空(科學想像)

接下來我們要講的,是比弦更玄的事,雀雀在此稱呼其為諾蘭五次元時空。

前面談弦理論時,我們談到在高次元的「他們」(久遠未來的人、過去的人、外星人、或是神,更可能是導演諾蘭)可以撥動弦來控制三度空間的物質,而「他們」所處的位置是我們無法理解也無法看到,就像是麻瓜眼中的九月三分之四月台,存在於三度空間中的空的。而在片中,男主角庫伯(馬修麥康納飾演),就落入了在高維度的「他們」替庫伯打造的,一個在三度空間呈現的多維空間(電影的台詞是五維)概念。

那「他們」或諾蘭如何在螢幕上打造五次元時空呢?我們必須從三次元開始說:

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(圖7)

圖7左邊代表的是我們的三維世界,圖6右邊則是把第四維度(時間軸)加進去,也就是把過去、現在、未來的三維時空串在一起。

而諾蘭的五次元時空,因為是在高維度來看待四維度的時空,於是空間與時間就成了手上的積木,可以把時間可以將時空任意擺放、連接,如此一來,所有過去、現在、未來的三維空間不但被串在一起,甚至可以全部推疊在一起,在五次元可以自由處在任何一個「過去、現在、未來」,也就是說:每一個時空,對五次元世界的你而言,都是「現在」。但因為是身處在高維度,所以不見得會被三維度的人所看見,也不見得能與三維度的人溝通。

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(圖8:每一個一~四次元時空中的「過去、現在、未來」,都是五次元世界裡面的「現在」)

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(圖9
:把圖8無限延伸就變成這樣)

看見未來 

《星際效應》裡,永續號太空梭出發前往蟲洞,在穿越蟲洞的那個摸門特,安海瑟威所飾演的女博士布蘭德摸了太空艙壁一把(她稱作是「和蟲洞的初次見面握手」),手都被扭曲了,那時候,她彷彿看見了男主角庫伯(馬修麥康納飾演)的未來一瞬(就是庫伯和布蘭德在蟲洞會車了),這是合理的,因為我們可以將蟲洞裡視為五次元(高維度)狀態。

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時空旅行的悖論

科學界、哲學界甚至科幻文學裡,一直對於時空旅行是否會改變歷史感到好奇,因而產生了一些討論,延伸了兩個解決歷史矛盾的悖論,結論都是對於過去的事情無論如何改變都是徒勞無功的。

祖父悖論
若時光旅行回到了過去,不小心殺死了年輕時的祖父,那麼自己也就不曾存在,就不會有人回到過去殺祖父的問題。

命定悖論
若時光旅行回到了過去,不論你有多麼想殺死了年輕時的祖父,自然的力量就是讓你無法達成。或是回到過去調查想要阻止房子起火,但是卻自己不小心引起了火災。

所以,「現在」,永遠都是最重要的事。

知道了嗎?好好地把握自己的「現在」吧!(這是什麼不科學的結論啊哈哈哈)

 

Ps:雀雀本人並非太空科學研究者,嘗試去理解電影之後撰以此文,若有任何敘述處不夠精確敬請見諒,當然如果有錯的地方,歡迎高手指教。

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(就是這一顆星球讓庫伯過一小時相當於地球的七年,但他們去其他地方沒這問題)

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