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- 586期－科幻（10月號）
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2018-10-01要穿越時空，該用時光機、黑洞還是蟲洞?
586 期
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欒丕綱／中央大學光電系 副教授。畢業於成功大學 物理系與清華大學物理所， 2002 年起任教於中央光 電。研究興趣：光子晶體、 超穎材料、變換光學、拓樸 光子學。
作為一個電影或戲劇的分類，「穿越時空」與「改變歷史」是永遠不會退流行的主題。好萊塢賣座電影中屬於這個類別的多不勝數，近年流行的穿越劇也沒有浪費這個題材。究竟電影或小說中那些穿越時空的劇情有沒有可能實現？如果可能，要如何實現？
大部分的時空電影對於時空轉換只是隨意地給一個說法，並不顧慮是否在物理上可行或可能。在《回到未來》系列電影，每當博士發明的時光車車 速達到時速 88 英哩時，就會出現幾道閃光，然後車子與駕駛就會被轉換到他們選定要到達的時代。在《穿越時空愛上你》（ Kate & Leopold）裡，女主角凱特（Kate）在時空之門開啟 的時段跳下布魯克林大橋，就穿越到了男主角李奧（Leopold）所屬的年代。在《你的名字》裡，時間線上相差3歲的男女主角立花瀧與宮水三葉會在睡夢中不自覺的交換身體，而瀧在喝了三葉的口嚼酒後，就穿越回到她的家鄉被彗星毀滅之前，去阻止這場浩劫。
不過，有越來越多的時空電影開始注重物理機制與邏輯一致性，希望能夠在盡可能不違反物理定律的條件下，達到劇情需要的神奇的效果。
1997年的電影《接觸未來》（ Contact） 是根據著名天文學家與科普作家卡爾．薩根（Carl Edward Sagan）的同名科幻小說《接觸》改寫。劇中，艾麗．愛若威（Ellie Arroway）博士發現了來自織女星的一系列強烈信號，經過解碼後可以製造某種機器，將人送進一個連結地球與織女星的蟲洞 （wormhole），與26光年外的織女星人接觸。
小說中本來預設的時空連結管道是黑洞（black hole）； 不過，薩根對於自 己的構想是否在物理上可行沒有把握，於是求教於加州理工大學的廣義相對 論專家基普．索恩（Kip Thorne）教授（2017年諾貝爾物理學獎得主）。索恩指出黑洞有許多危險與未知的特性，不適合作為時空隧道，而應該使用蟲洞，於是電影與小說都採用了索恩的建議。
而在 2014 年的電影《星際效應》 （Interstellar）裡，為了解決地球因氣候變遷不再適合居住的問題，人類透過在土星附近發現的蟲洞去尋找適合人類殖民的星球。男女主角一行人透過蟲洞，拜訪了繞著「巨人 （Gargantua）」黑洞公轉的「米勒行星（Miller's Planet）」。劇情中多次呈現了巨人黑洞令時間大幅度變慢的現象。首先是在組員的對話中，提到米勒行星上的1小時是地球上的7年。雖然探勘米勒行星的組員只在 該星球上待了3個多小時，回到太空船永續號（Endurance上卻發現已過了23年，而留守在船艙內的組員羅米利（Romilly）已變成一位老先生。 最後當男主角再度被送回到地球時，發現自己的女兒已是高齡婦人，而他自己卻沒比當初出發時老多少。
瞭解相對論才能穿越時空
要理解前述電影中「黑洞」與「蟲洞」的時空效應，得先介紹一點廣義相對論。愛因斯坦的廣義相對論討論的是重力（萬有引力），是現代宇宙學與天體物理學的基礎。這理論經歷了許多的實驗觀測檢驗，其中最經典的包括：水星繞太陽公轉軌道的進動、遠方星光的傳播路徑被太陽重力場彎曲、重力場使時鐘變慢，以及光線逃離重力場造成頻率紅移等。最近幾年，幾次有關重力波的觀測結果（分別來自黑洞與中子星）更確認了廣義相對論對重力波的預測是正確的。
這個理論並不把重力視為一種力，而是時空彎曲的表現。如果要在牛頓重力理論的術語中，找到它們與廣義相對論術語的對應，那麼「重力勢（單位質量的重力位能）」約略對應「度規（metric）」，這是決定時空度量 的一組量，它們影響時鐘的快慢以及一把直尺受重力影響的伸縮。牛頓重力場或重力加速度（單位質量所受的重力）大致對應度規隨空間位置或時間的變化率，在廣義相對論與微分幾何中被稱為「克氏符號（Christoffel symbols）」。牛頓理論中的潮汐場 （tidal fields）—— 也就是重力加速度隨位置的變化率，則對應時空曲率 （spacetime curvature）。 這些對應並不是完整與精確的，但是已足以說明問題。
根據這些對應，可以知道一個放在地面的時鐘（重力勢較低）會比一個靜止在鐵塔上的時鐘（重力勢較高）走得慢一點。更極端的比較，是一個黑洞附近的時鐘會比地球上的時鐘慢得多，而這就是《星際效應》電影中黑 洞旁的米勒行星上的1 小時是地球上的 7 年的理由。另外，黑洞附近的時空曲率很大，意味著那裏有強大的潮汐場，這就使得在它附近的米勒行星上很容易出現超大海嘯。
掉入黑洞會怎麼樣？
黑洞本身是巨大恆星演化的一種可能結局。當這個恆星在核融合反應的燃料用盡後，如果它所能用以抵抗重力塌縮的一切物理機制都無效（恆星質量超過某一個「臨界質量」就會發生），它就會無限的塌縮下去，形成黑洞。......【更多內容請閱讀科學月刊第586期】