DDS041-「黑洞（V）」-「黒洞」和「蟲洞」」

         〔註：善意提醒，你（妳）若使用 iPad， 請用它來閱讀，不但可以看到高解析度圖片和精美版面設計，也能增潻我各文章的可讀性，算是另外一種閱讀的樂趣。〕

〔承前文DDS040〕（2）要談論「黑洞（black hole）」和「蟲洞（wormhole）」間的關係前，讓我們先來了解下何謂「蟲洞」？首先，它是源自「愛因斯坦」的「廣義相對論」，由於「時空」的曲伏（warping），宇宙中的兩個個別「時空」間，或能有一「通道（passage or path）」將兩者連結在一起，這一通道，最早於 1935 年，由 Albert Einstein and Nathan Rosen 共同提出，又被稱為 「愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridges）」 或暱稱為所謂的「蟲洞（wormholes）」。〔註：雖然此「蟲洞」，也是由 John Wheeler 在 1957 年所命名，但是早在 1921 年時，德國數學家 Hermann Weyl，在研究電磁場能量時，即已提出了有關「蟲洞」的理論。〕

           簡言之，「蟲洞」就是連結不同「時空」間通道的入口。下圖（credit：edobric/Shutterstock）即為「蟲洞」的示意圖，它有兩個入口（mouths），中間以一「通道（tunnel）」或「管道（tube）」相連，看來有如蟲類掘鑿的洞穴，故名之為「蟲洞」。讀者可以把「時空」，想像為一張 A4 大小的白紙，由於「時空」的曲伏，你可以把該白紙捲曲如圖所示，也由於「時空」曲伏程度的不同（因為呈現在「時空」中，物體質量大小各有不同，質量大者曲伏大，質量小者曲伏小），記得前文提到的，「黒洞」中心的質量為無限大，因此其曲伏也最大，而「引力」也變得無限大，能把所有周遭物質襲捲而入，因此科學家咸信，「黑洞」很可能就是「蟲洞」的入口，而其另外一端，就是所謂的「白洞（white hole）」，為所有物質和光線的出口。

其次，讀者也可以想見，原來在平面上任兩點（代表不同的「時空」範疇；下同）的距離，也因「時空」的捲曲，藉由「蟲洞」通道的存在，形如該兩點間的一個捷徑（shortcut），也就是說，原來兩點間的距離大幅縮短了，而往返兩點間的時間也就大大減少了，使得萬物（包括我們人類），往返不同「時空」，也變得不是不可能的了。因此，它常被許多科幻電影做為題材，透過這類「蟲洞」，形同所謂的「時光隧道」，讓我們能夠返回到「過去」，也能預先到達「未來」，在不同時空尺度上，四處愜意遊蕩（見下圖；credit：Getty Images; from: http://www.history.com/news/ask-history/what-are-wormholes）。

         當然電影歸電影，實情是：科學家迄今還無法偵測到這類「蟲洞」的具體存在（它只是「廣義相對論」，在理論上的預期結果）。即使如此，依據「廣義相對論」，其通道的直徑大小約僅有 10^–33 公分，因此人或載具，想藉由它往返「過去」或「未來」，甚或另一「宇宙」，目前看來還是無望的。此外，依「廣義相對論」的演繹，任何物體（包括人在內）一旦進入「黒洞」，由於其巨大「引力」的拉扯，將變成粗細如麵條（spaghetti）般，此現象稱之為spaghettification（見下圖；credit: Ashley Corbion of http://atramateria.com/），根本不可能存活的。另外，此類「蟲洞」，即使真的存在，但因為其強大「引力」的作用，呈現極端的不穏定，在它形成的瞬間也就立即崩陷（sudden collapse）了，總之，對於人類夢想藉由它來，進行時空交互或宇宙漫遊（如科幻電影），以目前已知的理論看來，幾乎是完全不可行的。

         前面提到，依據「廣義相對論」的數學（即理論上）推導，宇宙源自一個「單點」，而且「黑洞」由於其巨大「引力」的存在，又被視為可能即是「蟲洞」的入口，萬物進入之後，都「煙消霧散」，不知胡底。就此一層面來看，這是「廣義相對論」的極限和罩門，依照 John Wheeler 總結「廣義相對論」的名言：「時空」告訴「物體」如何運轉（或運動），而「物體」告訴「時空」如何曲伏（或扭曲）（Spacetime tells matter how to move, matter tells spacetime how to curve），這句名言，是我閱讀愛因斯坦「廣義相對論」中，有關「引力」的最精準詮釋，相信讀者也能體悟此名言的真諦，也就是説，這句話道盡了，「引力」和「時空」一體的本質，而你也就不用再懷疑：為什麼「引力」不是「力」？這個牢固在你個人日常生活中的知覺體驗了！

其實，「愛因斯坦」在他完成了「廣義相對論」的論述後，窮其一生餘力，一直在尋找，一個能解釋宇宙萬物（由巨觀的天體到微觀的次原子粒子）的自然律（Theory of Everything），也就是希望能把「相對論（環宇尺度）」和「量子理論（次原子粒子尺度）」結合為一體，可惜迄今尚無人（包括「愛因斯坦」他自己本人和以「費曼（Richard Feynman）」等為首的許多後繼傑出科學家們）能臻此境界。直到 2006 年， Ashtekar 和他的研究團隊，利用「環量子引力（Loop Quantum Gravity，簡稱 LQG）」的理論，來探討宇宙的起源，並將「時空」界定為一由 10^-31 公尺大小區塊組成的綱狀物時，赫然發現他們同樣可以把宇宙的起源，回溯至「大爆炸」窄始之時，但卻不需有那「單㸃」的存在。

隨後，在 2013 年，Gambini and Pullin 兩位學者（Reference：”Loop Quantization of the Schwarzschild Black Hole” Phys. Rev. Lett. 110, 211301），更利用此 LQG 理論，進一歩提出一個新的「宇宙」形成模型〔註：稱之為「大彈躍（the Big Bounce）」理論〕，認為「宇宙」的生生滅滅，是以一種循環的方式進行，所謂的宇宙「大爆炸（the Big Bang）」，只是來自前一個「宇宙」的蹋陷（見下圖上；Credit from http://cdn.zmescience.com/wp-content/uploads/2013/05/bounce.jpg）。也就是說，這「環量子引力」理論，不但不會違背「大爆炸」理論，但又省卻了有關「單㸃」存在的困擾，甚而藉由此「蟲洞」〔註：在此模型中，稱為量子橋（quantum bridge）〕的存在，可以從我們目前存在的「宇宙」，通往另外一個「宇宙」（見下圖下；Credit from http://cdn.zmescience.com/wp-content/uploads/2013/05/wormhole.jpg）。

至此，經前文（DDS040）和本文（DDS041）的介紹，相信讀者對於這「看不見的宇宙秘境」（即「黑洞」），做為未來「理論物理學」研究的兩大前沿探討課題，應有了初步的了解。其實，有別於其他生物，做為一個有「自由意志」和「豐富想像」力的「自然人」，我們存在的價值即在此，而對「宇宙」本質的追尋和探索，只是其中之一，透過這些腦力的激盪，譲我們對自身存在的「宇宙」，能有更深一層的理解，在我看來，這才是生命的一種真正喜悅，也是我們曾經存在過的最好證明，你說是嗎？（待續）

DDS040-「黑洞（IV）」-「宇宙」源自「黑洞」？

前面三篇短文（DDS036、DDS037和DDS038），連續針對「黑洞」的名稱由來、它的特質和如何偵知它的存在、其依質量大小的分類以及其各自可能形成的不同機制，做了一些概括性的介紹和說明，相信讀者對此一宇宙中的深遽「秘境」，已有了初步的掌握。累積了這些成果後，科學家們（特別是理論物理學者）最近又針對「黑洞」這個議題，提出了兩個更勁爆的論㸃：（1）我們目前的「三維」宇宙，是否可能是來自「四維」的「黑洞」？以及（2）「黑洞」和「蟲洞（wormhole）」間的關係，它是否即是「蟲洞」的入口（portal），甚至能引領我們通往另一個宇宙？

由於這些論㸃，主要是來自深奧的數學理論推演，目前除尚無法以傳統的實驗或觀測予以驗證外，其中還包括諸多艱澀的數學演譯，實非我輩（非物理學的專業）所能理解，因此本文（DDS039）及下文（DDS040），將以淺顯的口語方式予以說明，有興趣的讀者，可依各人的喜好、數理程度，自行參閲相關的論著。但要提醒讀者的是，在閲讀過程中，你還是要「努力」提升你的「想像力（imagination）」，因為以下所述各種現象，大都是超乎我們日常經驗的範疇。其次，依我個人淺見，這兩個議題，應是往後十年間，在有關「黒洞」的研究上，兩大最熱門的主題，也藉此機會預先與讀者分享。

（1）要理解第一個問題：「我們目前所在的三維宇宙，是否來自四維的黑洞？」我們必須先回顧下，所謂的「大爆炸（Big Bang）」學說。依據「大爆炸」理論，目前科學家們咸信，「宇宙」是源自於 138.2 億年前，一個體積小（有如一小塊方糖，約只有 1 立方公分大小），但質量卻無限大的「單點（singularity）」爆裂（burst）而來，再經由不同階段的冷卻和膨脹，形成我們今日所習知的天體，而且目前還在持續的加速膨脹中（參見前文DDS006、DDS007 和 DDS027 之相關說明）。下圖（credit：Wikimedia Commons）即是依據「大爆炸（Big Bang）」理論，「宇宙」自「單㸃（singularity）」爆發後迄今之示意圖。要注意的是，「宇宙」固然隨著時間變得愈來愈大，但其膨脹速率卻大為不同，例如目前「宇宙」的膨脹速率，約為 67 km/s/Mpc（參見前文 DDS027-「宇宙膨脹說」），但在「單點」爆發後的瞬間（約一兆分之一秒），它的速率可高達 10⁴⁶ km/s/Mpc！

整體説來，固然這「大爆炸」學說自提出以來（1920 年代），歷經無數的理論和觀測驗證，已被科學界所認同，但它還有兩個主要的盲點，一是那所謂的「單㸃（singularity）」由何而來？二是它又如何「爆烈（outburst）」的？也就是說，「大爆炸」理論，只說明了「宇宙」自「單㸃」爆發後迄今之一切歷程和現象，但對這「單㸃」的存在，卻毫無交待或著墨，這其中原因，固然是因為所有目前所知的物理定律，碰到這「單點」時，均無用武之力（即超乎物理定律所能應用的範疇）。因此，若要深究「宇宙」的最終來源，這「單㸃」究竟何以存在、來自何方？又是如何引爆、膨脹至今的？就科學的完美性而言，終究必須嚴肅面對的。

針對這個惱人又看似無解的問題，近來以 Niayesh Afshordi和 Gia Dvali 等為首的科學家們，提出一個令人耳目一新的看法（Reference: Did a hyper-black hole spawn the Universe? Nature, doi:10.1038/nature.2013.13743），那就是，這個「單㸃」可能是來自存在於「四維」空間裡的「黑洞」，下圖（credit：VICTOR DE SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY）即是藝術家們描繪該概念的示意圖。讀者不要質疑，這「四維」空間存在的可能性，因為依照「弦論（string theory）」，自然界中的空間，可以高達「十維」，再加上「一維」的時間，我們存在的自然界，應為「十一維」的時空（spacetime）範疇，只是我們人類的感官，無法查覺「三維」以上空間的存在。

〔註：有關「弦論（string theory）」的學說，容我以後再為讀者做進一步的解説。但就不同「維度（dimension）」的存在和認知，可以下面例子予以類比說明：你喝飲料時，拿根「吸管」，在你眼前，這「吸管」是「三維」的，但你把它移到遠處，這時它看上去，只是一個細長條形（成為二維了），再把它移到更遠處，它看上去只是一條短線（一維）了，繼續再移到足夠遠處，這時它就孌成單一個㸃了。這時假如「吸管」上，還有螞蟻在四處爬動，對螞蟻而言，牠還是依著二維的管壁四處移動，但你看到的只是一個單㸃，而你還是知道，其實螞蟻是在三維的空間上活動。

再深入從分子、原子等粒子來看，你知道這「吸管」，是由分子組成，這些分子，又由原子組成，而原子又有原子核（內含中子和質子），但外圍又有電子環繞著，這可是「三維」的，只是我們無法以肉眼查覺吧了！事情還沒完呢，原子又由「夸克（quarks）」組成，這些「夸克」又由不同的「弦（strings）」，在三維的空間𥚃不斷地振動。所以，有關「維度」的概念，端看你身處的時空維度和感知而定，對浩瀚無際的環宇尺度（cosmic scale）而言，「四維」的空間，只算是小兒科，沒什麼好大驚小怪的！何況依據 Brian Greene 教授的預言，再過幾年科學家們，應可具體證實「四維」空間的存在。〕

至此，假定你可以接受這「四維」空間的看法，以下要來說明，我們「三維宇宙」來自「四維黑洞」的論證，就容易多了。首先，如同前幾篇短文所介紹，存在我們「三維宇宙」的「黑洞」，它的外圍環繞著一個形如薄膜（brane）的二維「event horizon」（請記得，越過這個界面，萬物即不復返），因此，科學家認為，我們的「三維宇宙」，其實是漂浮（float）在一個更高維的「四維宇宙」裡，而在四維空間裡的「黑洞」，它即能形成一個「三維」的「event horizon」。其次，就如同我們三維宇宙中「黒洞」的形成方式，當四維空間裡的星體，在其毀滅、塌陷的過程中（即形成四維「黒洞」時），其噴發（eject）出來的物質，形成了我們今天的三維「宇宙」。

以上這種論㸃的最大好處是，它適足以解釋，天文學者們困惑已久的問題，即為何我們的宇宙是如此的均一（uniform）？特別是溫度，它為何是如此一致（參見前文 DDS008-「宇宙微波背景」）？因為，依據「大爆炸」理論，我們「宇宙」形成迄今的時間只有138.2 億年，尚不足以能達到此一「溫度平衡（temperature equilibrium）」的狀態。下圖上（credit: Wikimedia Commons）即是此「三維宇宙」來自「四維黑洞」的示意圖，圖中的圓形黑暗區，你就把它想像為「四維黑洞」，而環繞在它四周的藍色斑駁區塊，就是我們的「三維宇宙」（把它想像成是一個球狀的三維空間的橫截面），要不，就給你一個更較具動感的示意圖（下圖下之的噴發狀態；Credit: ESO/M. Kornmesser）。

總之，假如將來這「宇宙來自四維黒洞」的理論，能被進一步證實的話，那我們迄今咸認「宇宙源自大爆炸」的固有說法，也就不得不被重新修正，甚或被掦棄了，而我們人類對宇宙的認知，也將進入另一個劃時代的視野。（待續）