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科學三分鐘

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例如我們在媒體上瞥見一則關於黑洞的新聞,但是看完新聞過後,我們知道什麼是黑洞嗎?

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星際效應中的科學

2014Dec/14

科學三分鐘 2014-12-14 16:55:00

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幾乎每隔幾年,好萊塢就會拍一部科幻電影喚醒人們對蟲洞、黑洞、時間膨脹和時間旅行等主題的興趣。2014年,《星際效應》這部電影邀請美國理論物理學家基普‧索恩指導,同樣引發關注。電影所呈現的內容,究竟哪些部分是科學,哪些部分又近乎幻想呢?請聽今天的科學三分鐘,主題是:星際效應中的科學。


男:「哎,這電影還蠻好看的耶~可是他把黑洞拍得這麼漂亮,會不會太扯啊?黑洞不是黑的嗎?」

女:「黑洞當然是黑的,但是黑洞的外面卻可能有個發光的圓盤喔!」

黑洞是黑的嗎?要看從甚麼角度來討論。黑洞的「本身」當然是黑的,因為就連光線也無法從黑洞中逃脫。但是,如果黑洞附近的物質還沒有被「吸乾淨」,這些物質在掉進黑洞的過程中,可能形成一個巨大的、繞著黑洞旋轉的圓盤,稱為「吸積盤」。

物質掉進黑洞是個複雜的物理過程,不過簡單地說,黑洞強大的重力場,會讓掉進黑洞的物質被加速與加熱,使這些物質在掉進黑洞之前發出強光,因此吸積盤可能非常地亮。《星際效應》電影中的超巨型黑洞,就被設定擁有像這樣明亮的吸積盤,於是電影製作團隊根據物理學家的估算,做出了華麗的視覺特效。

理論上,這個過程可以把掉進黑洞的物質10%的質量,轉換成能量。這個轉換效率高得驚人,舉例來說,比原子彈威力大得多的氫彈,或者我們的太陽,都是透過核融合反應來產生能量,但是核融合一般只能把0.5%的質量轉換成能量,連百分之一都不到,相形之下,黑洞的吸積盤放出的能量實在非常強大。不過,這些能量未必都是以可見光的形式釋放,以黑洞來說,大部分會是看不見的X光。就是因為這點,讓某些科學家懷疑《星際效應》情節的合理性,因為太空船靠近這麼強烈的X光,很可能會把太空人殺死。

另外,時間膨脹也是常見的科幻主題。在《星際效應》的故事中,人類造訪了一顆靠近超巨型黑洞的行星,在那裏經過一小時,地球上已經過了七年。中國古代也有類似的傳奇故事,說道:「洞中方七日,世上已千年」。但這種情節真的可能發生嗎?

按照相對論這是可能的,而且已經獲得證實。舉例來說,許多微小的粒子,都會發生「衰變」,換成簡單一點的說法,就是不同的粒子有不一樣的壽命,有的長、有的短。但是科學家觀察到,當這些粒子被加速到接近光速的時候,它們的壽命都會明顯地變長,即使後來減速,整體來看,還是比留在原地的粒子壽命長得多。換句話說,假如人類搭太空船加速到接近光速,再減速回到地球的時候,也會發生太空人感覺只過了一年,地球上卻過了很多年的情況,就像是時間膨脹了一樣。

而在超巨型黑洞的附近,由於強大的重力場,根據相對論,也會造成明顯的時間膨脹現象,可見《星際效應》的情節是可能的。但是主角的飛艇到了這個地方,能不能出來卻是一個大問題,為了讓劇情進展下去,這裡很可能加入了幻想的成分。

至於電影中提到,太空船通過蟲洞到達宇宙另一個角落,甚至提出利用蟲洞,把訊息傳到過去的地球,目前都是未經證實的假說,幻想的成分也比較大。本集單元感謝科學顧問清華大學天文研究所張祥光教授指導。

今天的科學關鍵字,就是:
超巨型黑洞(Supermassive black hole)
您可以透過這個關鍵字,進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由行政院科技部補助製播】

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