文／楊祖愛

（美國太空總署太空工程師、國際太空站機器人CCM計畫經理）

「地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中」。

~Konstanty Tsiolkovsty，1857﹣1935

Tsiolkovsty，是前蘇聯火箭專家，是太空飛行的導師，他在二十世紀之初，即有此前瞻，當時太空工業尚未萌芽，他為人類播下了飛向太空的種子，拓寬人類局限於地球的觀念。

飛出藍天之外，飛向別的星球，在當時是狂思癡想，今日看來，卻是遠見。好萊塢科技電影《星際效應》演的是地球氣候改變，糧食資源枯竭，美國太空總署（NASA）早已祕密進行研究將人類移居外星的計畫，稱為Lazarus計畫、由布蘭德教授主持。

該計畫於十年前選送12名太空人，分送至12個有可能適合人類居住的星球，一探究竟，並將該12個星球以太空人的姓氏命名。

Lazarus計畫的秘密研究基地，被當地玉米農庫柏及其十歲的女兒墨菲由解讀沙塵暴捲入屋內的細沙形成的神祕座標密碼，而依線索尋得基地所在。庫柏過去曾為NASA的太空人，歸鄉後轉業務農。當他無意中找到祕密基地後，布蘭德教授委以重任，請他充任駕駛前往選定的三個星球，並取回實地數據及樣本。由於受限於太空船飛行所攜燃料有限，所以只能造訪一個星系，因此選定在同一星系的三個星體，米勒、曼恩和艾德蒙。

蟲洞串聯不同時空隧道

這三個星球，並不在我們地球所在的太陽系內，而是在土星之外的星系內，相當遙遠，有多遠呢？後面會向各位舉例說明。因為遠，所以想到抄小路走捷徑，而所謂的捷徑，就是電影《星際效應》闡述的主題：蟲洞和黑洞！

蟲洞，是指接連兩個不同時空宇宙的隧道，蟲洞概念在1916年由維也納大學物理學家Ludwig Flamm提出，到了1935年經愛因斯坦與Nathan Rosen加以解釋，後有多人續以廣義相對論的時空(space-time)觀念加以演譯，認為蟲洞有可能存在，亦即，在不同的時空中，有可能存在多維空間的通道，不過至今尚未觀察到其存在的證據。

至於黑洞，其實不是一個洞，而是一種質量極大的星体，其形成是由於星體發生超新星爆炸時，中子之間強烈的排斥擠壓而密度增高，當星體不斷爆炸，其核融合反應的燃料耗盡後，最終形成黑洞。因其質量極大，引力超強，因此任何物質、幅射、光線都無法向外界傳遞信號，類似完全不反射光線的黑体，因以黑洞名之。

黑洞形成後，周圍物質會不斷被吸入而無法逃逸，因此觀測黑洞的存在十分困難，也無法驗證其所有的特徵，在天文物理學上，黑洞是極其迷人的課題。

本電影中選定的三個可能殖民的星球，位於太陽系外的另一個以黑洞「巨人」為中心的恆星系統內，布蘭德教授指示，在土星系統內有一個蟲洞，可以當作捷徑，直抵該星系。

雖然愛女墨菲強烈反對，但庫柏還是克服內心掙扎，決定與三位科學家及二個機器人一起登上太空船，他先與地球軌道上運轉的太空站永續號對接上，駛向火星，再藉火星引力，彈向土星軌道，在土星附近找到了蟲洞，經由蟲洞捷徑飛抵第一個目標米勒星，庫柏駛出永續號上攜帶的遊騎兵小艇，順利登上米勒。

米勒星因距離巨人黑洞近，而產生引力時間膨脹現象（gravitational time dilation），這是巨大引力導致時空扭曲，而以和地球不同速率度過的現象，當引力越大，時間愈慢，因此在米勒星上一小時，相當於地球過七年，不僅如此，米勒星上是一望無際的海洋，且因巨人黑洞影響而頻生巨浪。他們緊急返回小艇，飛回永續號，短暫停留三小時的驚險過程，已等同在地球上渡過23個年頭，時間膨脹現象可見一斑。

永續號選擇前往第二個目標曼恩星，因為先此而來的曼恩博士傳送回的信息表示此處甚宜人居，但是當永續號到時，卻發現此地冰封，才知道這是曼恩博士為了求生故意假傳的信息，這也意味著曼恩星不宜人居。

隨著永續號上資源逐漸殆盡，庫柏藉引力將永續號彈至接近巨人黑洞軌道，庫柏與機器人塔斯分乘遊騎兵和登陸艇毅然駛入黑洞，艾米麗則朝向艾德蒙星駛去。

從電影一窺天文物理堂奧

在黑洞內，機器人塔斯收集到時空奇點（Singularity）數據，這是一個體積無限小，密度卻無限大，時空曲率無限大的點，廣義相對論認為宇宙的初始狀態為一奇點，預言奇點存在於黑洞內，塔斯雖然收集到奇點，但因黑洞內極強的引力而無法傳送給庫柏。而庫柏在飛船損毀竟意外墜入一個奇異空間內，此處有著五維的立方體結構（tesseract），層層相扣、疊疊相通，此空間的時間是非線性流動，庫柏頓時了解這結構是未來人類為解救地球人而造，他們超越了時間和空間，當初為拯救人類而傳信息給庫柏及幼女墨菲，冥冥之中用沙塵暴飄入的細沙形成摩斯密碼，引領他們找到NASA秘密基地，而加入Lazarus計畫效力，隨著時間流逝，墨菲長大後也加入了布蘭德教授團隊。

領悟箇中巧妙的庫柏，透過塔斯將時空奇點數據轉成摩斯碼，以重力依五維結構傳至墨菲書架上的手錶。聰明的墨菲看懂了，立刻利用此數據完成布蘭德教授的演算公式，進而實現操控重力的關鍵技術，使人類可順利從地球疏散到黑洞外的星系、建立另一個家園。

透過《星際效應》也讓人看到不少科學知識，導演經由深入淺出的蟲洞及黑洞展示，向普羅大眾介紹愛因斯坦「廣義相對論」的預言，將艱澀難解的天文物理學中理論，藉由電影來呈現，雖然有些地方有誤差，或過份簡化與樂觀，可能會讓畢生投入相關研究的專家有些皺眉，但科學創新，就是要抱持樂觀，要能大膽假設，才能引人投入作進一步的小心求證。