【物理好好玩S2EP12】時光旅行與蟲洞
儘管理智告訴我們應該往未來看，但人總是耽溺於過去。這可能是因為、未來總是一片空白，好像並不存在一樣，而過去是我們已知，就紮紮實實在那裡。說是紮實，但畢竟已過去，於是虛實之間，我們的心靈可以想像、扭曲、詮釋、重新建構，無限發揮。普魯斯特的名著《追憶似水年華》，就是書中一無所成的主人翁，對生命中無數的片刻印象、以及過往人物的細細咀嚼，書名原意其實比較接近「找尋逝去的時光」。曾有一個評論者這樣說，這7卷的書寫，其實是主人翁，透過對過去的追憶，重新度過那時的每一個細節，挖掘出自己的內心對每一個印象的糾纏，來得到生命的救贖。書中喚起這些記憶的貝殼狀點心「瑪德蓮」，據說就神似中世紀歐洲尋求救贖的朝聖者，在旅途中沿路布施所用的貝殼容器。
的確，重新度過我們的過去，實在是一個誘人的事，我們有可能回到過去嗎？做夢是一個辦法，但這有點消極，所以中外文學中，都有時光旅行的想像傳統。但科學畢竟是一個植基於實際觀察的學問，而根據我們清醒時的可靠觀察，時間流動肯定是穩定而超越個人的。因此在以牛頓力學為核心的古典物理裡面，時間是有前後因果秩序的標籤。所有自然事物如同無奈的動畫角色，困在一個個附上標籤的畫面之中，情節與動作只能如一頁頁的浮世繪，畫中角色沒有任何辦法可以影響時間的紀錄。
這樣強大的重力可以使我們回到過去嗎？
但描述重力的廣義相對論改變了這一切，在去年3月的節目中（S1EP03｜當空間變成了時間——淺談神秘的黑洞），我介紹了東京大學香取秀俊教授的實驗，結果顯示置於地面上的時鐘，走得比置於東京晴空塔頂端的時鐘來得慢，這是地面上較強的重力所造成。在地球上這個效應微乎其微，但如果是極緻密的中子星表面，重力會強到使時鐘慢30％。可見重力會影響時間的平穩進行，術語就說時間被扭曲了。時間扭曲的極致肯定是黑洞，在黑洞周圍稱為地平線的球型邊界上，那裡的時鐘在遠方看起來幾乎是停止的。因此太空人若墜入黑洞，經過地平線時、時鐘看起來走得緩，那麼所發出的光或信號，也得走得極慢，那就需要近乎無限長的時間，才能到達外界的觀察者。有一個作者就形容：在你通過地平線的短暫瞬間，外界宇宙的永恆時光就此流逝，真是充滿詩意，但卻是真的。於是靠近黑洞、地平線內的區域，將比時間的盡頭還要遙遠，完全無法向外聯絡，連光都無法脫離，只能被重力吸引回到黑洞的中心。這個區域與整個宇宙形成了半隔離的狀態，而且既然裡面的物質永遠無法離開，黑洞的半隔離狀態就會永恆維持。那麼、這樣強大的重力可以使我們回到過去嗎？
其實，在愛因斯坦的廣義相對論提出幾個月後，就有物理學家，在理論上得到一個非常奇怪的解。如果重力對空間的扭曲足夠厲害，空間中兩個距離遙遠的位置之間，竟然額外可以容許有一個捷徑。10年後，愛因斯坦自己也發現了這個結果，因此這個解現在也被稱為「愛因斯坦的橋」。奇異的是，這個解在廣義相對論中，其實出現得十分自然，現在幾乎所有廣義相對論的課程都會教到呢。
一進入蟲洞，空間就直接連到遠方的出口
對這個解，我覺得最生動的描述是「蟲洞」，就如同蘋果被蟲咬穿了一條穿透的隧道，這是黑洞這個詞的命名者，惠勒教授在五零年代所命名。聽眾可以想像我們是在蘋果表面爬行的螞蟻，螞蟻無法飛起來，因此是生活在二度的平面上。也就是說，蘋果的表面、加上穿透的蟲洞隧道表面，就是螞蟻全部的世界。從隧道的一端，螞蟻一般會沿著蘋果表面慢慢爬到另一端，但如果發現還有隧道存在，它大可以抄捷徑，通過蟲洞直接從這一端鑽到那一端。這樣日常的情節，與惠勒以廣義相對論計算所得到的蟲洞非常類似。只是我們的世界是三度立體空間，因此蟲洞的入口一般是球型的，從遠方看起來，會有一點像黑洞的地平線。一進入黑洞，就無法脫離，但一進入蟲洞，空間就直接連到遠方一個球型的出口。這樣的情節在現實上有點難以想像，但在數學上卻不是太難描述。於是科學家就開始想像，如果蟲洞兩端的空間距離極度遙遠，以近乎光速運動的星際旅行無法飛越，蟲洞的捷徑就可能讓我們瞬間直通。好像兩點間還多了一條夢幻的橋樑連接，所以蟲洞當初才會被稱為「愛因斯坦的橋」。
後來這個想法出現在許多科幻寫作中，連卡通哆啦A夢，都有任意門這個發明，把任意門放在大雄家，另一邊可以連到遠方位置、例如車站，所以走進任意門，走出來就立刻到達車站了。大家看卡通時，一定沒有想到，這真的是物理學家嚴格計算的結果。
黑洞與蟲洞
但蟲洞是廣義相對論的解，只表示物理定律不禁止這樣的情況發生，但不代表蟲洞就真的存在自然界、也不意味我們能夠製造出蟲洞來。不像黑洞，我們很確定黑洞可以由恆星燃燒殆盡的殘骸產生，蟲洞生成的原因其實很不確定，因此即使專業科學家也慢慢喪失興趣。諾貝爾獎得主索恩（Kip Stephen Thorne）在80年代的研究，使這個題材又被炒熱了一陣。索恩在他很有名的科普書《黑洞與時間扭曲》中，描述了他發想的過程。索恩的好朋友、著名的科幻作家薩根（Carl Edward Sagan），有天突然打電話來，薩根剛寫完一本人類與外星文明首次邂逅的科幻小說，希望有科學家的意見。小說中女主角落入地球附近一個黑洞，卻從13光年外的織女星冒出來，完成星際旅程。
索恩立刻知道這行不通，進入黑洞後，物體會無法抗拒的被拉近它的中心，重力無限制地增加，會摧毀任何墜入的物質。但索恩隱約記得，惠勒的蟲洞似乎就是這樣一個連接遙遠位置的額外的橋。物質一進入蟲洞的一端之後，就平滑的連接到另一端，並不會有極大的重力出現，兩端也都可進可出。於是他開始仔細檢視前人的工作，立刻發現之前計算得到的蟲洞，都有一個致命的問題：持久性，它們都會快速消失。索恩就想，如果要使蟲洞是可以穿過的，必須想辦法把這個連接的隧道撐開，這個數學問題並不難解，如果隧道內有物質具有反重力，就能抵消原本重力造成的收縮，或許蟲洞就能持續足夠的時間。當然這樣的物質非常奇特，我們從未在宇宙中觀察到，但並沒有任何原則禁止這樣的奇異物質存在。於是索恩全力投入蟲洞的研究，將能撐開蟲洞的奇異物質的性質細節都找出來。薩根果然接受了索恩的建議，在小說的最終版中，女主角是落入蟲洞，去到織女星的。
蟲洞若是存在，也能夠作爲時光機
聽眾這時可能會想到，卡通哆啦A夢中還有另一個經常出現的道具：時光機，的確蟲洞若是存在，也能夠作爲時光機。在相對論中時間與空間是融為一體的，因此蟲洞的兩端，也可以發生在不同的時間。這個想法竟然是索恩在參加研討會時，一個年輕的小夥子，在休息喝咖啡閒聊時，隨意提起。科學點子的發想，有時就是這麼即興。索恩開玩笑說，那一瞬間，覺得自己實在笨透了，怎麼沒有早點想到。例如，如果有一個蟲洞連接現在的地球，與十年前的火星，太空人如果從地球的這一端進去，就會出現在十年前的火星。花個一年從火星旅行回到地球，它就回到了九年前，這是典型的時光機器。索恩接下來仔細的考慮由蟲洞所建構的時光機，並且以反重力的特異物質將它撐開以供旅行用。他證實了在廣義相對論的架構下，時光機可以存在。妙的是，當索恩一個認識二十年的的物理學家朋友，聽到風聲他在研究時光機，還偷偷打電話給索恩的太太，關心索恩是不是有精神上的問題。
畢竟時光機器是一個非常難纏的東西。如果能夠回到過去，會發生許多糟糕的事情。某人如果進入時光機器，回到過去，阻止他的父母約會結婚，那麼他就不會出生。但、如果他不存在，那就沒有人去阻止了。所以我常開玩笑，進入時光機器應該有一點條件，那就是你要放棄自由意志，不能放任的隨意改變已經發生的事，你唯一能作的，就是繼續扮演你已經出現了的自己！如此才能維持宇宙的一致性。但即使一直維持一致，事情還是非常奇怪。想像這樣一個情節，我在今天中午走入時光機，回到昨天的中午，糊里糊塗過了一天，我又在今天中午，進入時光機，回到昨天中午，繼續再過一天。我將永遠只活在過去這一天之中，真的是一個沒有未來的人啊！
時光機雖然奇怪，違反常識，但索恩的結論是，物理定律並不禁止。1988年他在頂尖的科學期刊，發表了這個研究結果，標題上赫然出現時光機的字眼。這當然在科學社群引起騷動，無論正反意見，還好科學家還是很認真對待索恩的想法。不久之後、媒體也發現了這件事，有的竟然報導索恩已造出了一台時光機。大眾對於科學家竟會嚴肅認真研究這個問題，感到不可思議。報紙標題充斥了瘋狂科學家、奇異博士這樣的字眼，索恩不堪其擾，他的秘書只能幫他發表一則正式聲明：「對於時光機的問題，索恩教授，現階段無可奉告」。
時光機可能如霍金的預期，會自我摧毀
時光機的確怪異，有些科學家例如霍金便主張，為了防止這些違背邏輯的特性破壞宇宙和諧，時光機會如獨裁體制下的顛覆言論，被審查刪除，他還真的就戲稱這個原則為宇宙言論檢查制度。而認真的追究後，科學家算出來，時光機一旦造好，蟲洞內微小的能量，會在兩個端點之間，來回運動，同時因為時空扭曲，能量不斷加大，巨大能量會造成時空更大的扭曲，接著就摧毀了蟲洞。簡單說，時光機可能如霍金的預期，會自我摧毀。連索恩在他的科普書《黑洞與時間扭曲》」的最後，也多多少少承認，或許這個自我摧毀的特性，使得時光機幾乎沒有實際存在的可能。
但野火燒不盡，春風吹又生，去年8月歐洲的科學家，發表令人驚訝的計算結果，蟲洞似乎不一定需要反重力的奇異物質才能撐住，只要有適當配方的一般物質，竟然也可以成功。這下子有興趣的科學社群又忙起來了，到今天、到底這個結果是不是靠得住，還是有爭議。這樣設計的時光機是否能逃過自我摧毀的命運，也尚待研究。
當然，時光機若存在，即使只有極短的時間，都是令人興奮的事，也代表物理定律有許多出乎意料之外的層面。索恩就強調：重點不在時光機，而是透過時光機的探究，把物理定律推到極限，如此我們才能更加了解物理定律隱藏的內涵。畢竟讓過去留在過去、或者記憶中的過去，應該是比較明智，這一點普魯斯特也會同意的。看似天真的科學家，其實醉翁之意不在酒！
《物理好好玩第二季》 今日刊畢
