DDS041-「黑洞（V）」-「黒洞」和「蟲洞」」

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〔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）