【雷神3.科普】戲中的穿越時空,同愛恩斯坦有乜關係?

撰文:吳俊熙
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《雷神3:諸神黃昏》與許多科幻故事一樣,劇中人物可以隨意穿越時空。電影中,雷神兩兄弟從聖域界透過彩虹橋到地球尋找父親Odin,獲Dr. Strange幫忙,打開時空,送兩人到北歐。其姊Hela突然於茫茫荒野從地面冒出,跟隨兩人以彩虹橋回聖域界。劇情往前推,雷神兩兄弟、Banner及Valkyrie商討如果回去聖域界,需要經過Devil's Anus,而這個Devil's Anus,是一道愛恩斯坦羅森橋(Einstein-Rosen Bridge)。穿越時空,到底與愛恩斯坦有何關連?

穿越時空,到底與愛恩斯坦有何關連?(《雷神奇俠3:諸神黃昏》(Thor:Ragnarok)劇照)
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牛頓力學與其觀察者

我們日常生活的大部份物件的運動,例如汽車行駛加速減速煞停,又或打球拍球傳球,均可以以牛頓力學理解。牛頓力學的重點,在於觀察者不影響該運動,籃球投射出去以後,它的軌跡及速度已經被決定,觀察者目光灼灼亦不能改變其方向。然則,如果觀察者是一隻小鳥,牠跟著籃球以相同的速度飛呢?小鳥的眼中,籃球是不是沒有在動?在宇宙中觀察星移物換,宇宙卻不斷膨脹;在地球觀察月亮,地球自轉速率為每秒460米,又可有一個絕對靜止的觀察者?

一條描述宇宙的方程式

當物件速度接近光速的時候,經典的牛頓力學不能再用以解釋一些物理現像,1905年,愛恩斯坦提出狹義相對論,觀察者的世界不會加速。約十年後,愛恩斯坦於1916年提出廣義相對論,把重力與加速度都考慮在內,準確地以一條方程描述宇宙(Einstein field equations,EFE)內所有物件的運動,可是這方程卻很難解。

蟲洞接連宇宙時空的捷徑,1935年,愛恩斯坦與羅森提出接連時空中兩點的橋,理論上可以縮減來回兩點之間的時間與距離。(The Anderson Institute 圖片)

有關方程的解

一般而言,方程式有兩種解:近似值解與精確解(exact solutions)。例如,x2 = 2 的近似值解是 x = 1.414,但 1.4142 是 1.999,不是 2。而 x2 = 2 的精確解是x=√2。那條描述宇宙的方程很難解,最初愛恩斯坦找出其近似值解。然而,物理學家並不滿足於近似值解,其後出現了許多精確解。這些解為日後的黑洞(black holes)、白洞(white holes)、蟲洞(worm holes),甚至最近發現的重力波(gravitational waves),奠定了理論根基。已有許多證據,證明黑洞存在,但仍未觀察到白洞與蟲洞的存在。簡單來說,廣義相對論並不排除白洞與蟲洞,只是暫時仍未有證據指兩者存在。

《雷神3》提及的愛恩斯坦羅森橋,是指蟲洞。蟲洞接連宇宙時空的捷徑,1935年,愛恩斯坦與羅森提出接連時空中兩點的橋,理論上可以縮減來回兩點之間的時間與距離。如果真的存在蟲洞,理論上它的大小為 10-35 米,並非如電影般可讓太空船飛過,或讓外星人在打架。另外,若真有很小很小的粒子穿過,蟲洞可能倒塌,或帶來很高的輻射。EFE還有一個解,可以讓closed timelike curve(CTC)存在,CTC是指粒子於時空中的起點與終點為同一點,暗示時光機的可行性。從廣義相對論中,可以推導許多有趣的理論。別人說STEM時,多數指Science、Technology、Engineering及Mathematics,其實筆者會想起Space、Time、Energy及Mass四個物理詞彙。

(本文純屬作者意見,不代表香港01立場。)