星空中的時間

為了說明相對論的原理，科學家假想以0.9倍光速飛行，在高速下尺度縮短了，時間也變慢了，而質量加大了。

太空中時間表徵的距離—光年 在外太空星際間彼此的距離都顯得 ... 文．圖／陳輝樺 圖1.從地球觀看到的獵戶座形狀 圖2.獵戶座的各主星，實際上是由距離我們在500至2000光年等不同距離的亮星所構成。

圖3.為了說明相對論的原理，科學家假想以0.9倍光速飛行，在高速下尺度縮短了，時間也變慢了，而質量加大了。

太空中時間表徵的距離—光年 　　在外太空星際間彼此的距離都顯得非常遙遠，因此以地面上量測的「公里」為單位已不足以使用，而是採用「光年」來作為測量的單位。

光在真空當中每秒速度約為 30萬公里，我們以光速行進一整年所走的距離，來表示星際間的距離單位，稱之為「光年」（圖1）。

例如獵戶座裡的每顆星實際上與我們的距離都不同（圖2）。

狹義相對論裡的時間 　　在愛因斯坦以前，一般人總認為時間是「絕對」的，宇宙間任何的場合，不管在飛機上、在家中、在天狼星上，時光都以同樣的速度流逝，而其流逝的快慢可以數量來表示，凡是周期變化的現象，都可以作為測量的單位。

20世紀初，愛因斯坦開始介紹「相對時間」，就是在不同的情況下時間快慢不同，在客觀的周期測量上，快慢也有不同。

以致於現今常以所在環境裡的原子和分子振盪之周期（頻率）來作為測量時間的標準。

　　如果我們用愛因斯坦的相對論觀點來看「時間」，那是很有趣且奇妙的事。

時間和空間彼此有著非常密切的關係，愛因斯坦將時間視同於三維度空間外的另一維度「空間」。

依據狹義相對論，時間、空間和物體質量是隨著物體運行的速度而變的。

從一個相對靜止的座標去觀察一個運動中的物體，那動的物體質量會相對地增加，與運行同向的尺度會相對地縮短，時間也相對地慢了下來（圖3）。

　　舉例來說，假設你搭乘速度可達0.9999999975倍光速的太空船，前往距離地球約9光年的天狼星。

你或許擔心如此遙遠旅程中的糧食問題，但其實你只需帶一頓午餐就夠了。

因為在那種高速飛行情況下，不單是鐘錶會慢下來，你的心跳、呼吸以及消化等生理系統也會照著同樣的比例慢下來。

如果你清早用過早餐後出發，到了天狼星正是吃午餐的時刻，進過午餐回到地球，正趕得上吃晚餐。

根據你的時間，你往返兩地只用去了半天，可是地球上的人卻已經個個老了18歲。

　　再舉個例子來說，愛因斯坦在「狹義相對論」中探討到一個雙生子的年齡問題，若其中之一乘坐太空船以近光速在太空飛行了10年，當他回到地球時竟然看到自己的孿生兄弟 (或姐妹)已是年邁了。

星光呈現和變化的奧秘 　　所有物體都會因為它表面的溫度，以電磁波的形式發出熱輻射。

這些電磁波通常可依據它的波長不同而大致區分成無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X光、伽瑪光等（請參閱本館簡訊第164期的介紹）。

我們觀測到的星光，都僅是星球大氣層表面氣體的溫度，和輻射出來的各個波段之電磁波。

我們也僅能利用各個波段電磁波的偵測器（俗稱天文望遠鏡）分別去觀測它們。

　　約在1814年，光譜科學家由太陽光譜的觀察發現某些元素會形成吸收譜線，進而瞭解到熱的物體(包括熱的固體、液體或高密度氣體)都會發出「連續光譜」，照射激發低密度氣體則會發出「放射光譜」，連續光經過低溫且低密度氣體會呈現「吸收光譜」等事實。

而在星光觀測時（1823年）也發現相同的譜線，促使天文學家對於星球光源和傳遞到我們地球的過程，有了理論的依據和探究星球與星雲組成元素的方法（請參閱本館簡訊第141期的介紹）。

接著又從恆星和我們地球連線間的相對運動，發現了在光譜上的「都卜勒效應」（圖4）。

當一星體遠離我們而去時，會有光譜「紅位移」的現象，而當一星體接近我們而來時，會有光譜「藍位移」的現象。

進而對於絕大多數的星體觀測之後，天文物理學家推斷出宇宙正在膨脹中，因而提出了「大霹靂」的宇宙起源說法。

廣義相對論的「時間─空間」結構 　　1911年，愛因斯坦發表「廣義相對論」，闡述重力的本質是導因於物質的分布而彎曲了鄰近的「時間─空間」結構。

當另一物質在此凹陷彎曲的時空結構中運行時，它的行進行為、路徑正如被凹陷彎曲時空中的物質所吸引而產生偏折（圖5）。

故依據愛因斯坦廣義相對論而得知，當光經過有物質分布的彎曲時空時，會造成光的偏折現象（圖6）。

但並不是所有被偏折的光都會被我們觀測到，唯有極少數正位於與我們觀測點有某特定角度（至多約10秒弧）內彎曲的光才會被我們發覺（圖7）。

1979年，天文學家 Carswell、Walsh和Weyman吃驚地發現兩個極為靠近的似星體，它們的發光情形完全一致。

這種類似的現象後來被發覺層出不窮，他們解釋此現象是原本單一的發光體所發出的星光在彎曲時空裡，經過不同的路徑而被我們觀測到，這種現象稱之為「重力透鏡」的「海市蜃樓」(mirages)效應（請參閱本館簡訊第137期的介紹）。

恆星兩極噴流的奧秘 　　 　　天文物理學家推斷，一顆新恒星的誕生是由於重力的吸引，使得散布在宇宙中的混亂雲氣形成了塊狀物質，這些塊狀物質進而在激烈的震盪下點燃了核融合，因而產生了一顆新的恒星。

在星球一生的演化過程中，會產生精彩的轉折變化，如恆星的誕生、超新星爆發、白矮星或是中子星、黑洞等階段，都有令人激賞、讚嘆的「星球噴流」演出 （圖8）。

這些不同階段的共同特徵是，星球兩極會有向外太空進行大量噴流的現象，彷如在寂靜、廣大的太空中施放煙火。

換言之，恆星兩極噴流的奧秘正述說著恆星一生中各個演化階段的故事。

星系演化的奧秘 　　20世紀初，偉大的天文科學家哈柏(Hubble)的早期研究工作就是分類出星系種類結構圖（圖9）。

他將星系的不同類型區分成橢圓星系（elliptical galaxies）（依扁平情況以E0（圓球形）、E1、E2…E7標示）、旋臂星系（spiral-galaxies）（依旋臂緊密或開放情況以 S0（盤碟狀但無旋轉臂）、Sa（有緊密的旋轉臂）、Sb、Sc（有開放的旋轉臂）標示）、棒狀旋臂星系（barred-spiralgalaxies）（以 SBa（有棒狀和緊密的旋轉臂）、SBb、SBc（有棒狀和開放的旋轉臂）標示）和不規則形狀的星系（以Irr標示），來辨識星系外觀的差異和試圖解釋各個不同類型星系之間的關聯。

這會是和星系的演化過程有關嗎 ?最近靠著電腦的模擬才促使星系形成的理論模型稍有進展。

是否有時光隧道? 　　能回到過去嗎?或是能勇闖未來嗎?這是許多人的遐思與夢想。

我們知道天狼星距離地球約9光年。

換句話說，天狼星現在發出的光要經過約9年之後才能到達地球，因此我們現在所看到的天狼星光是「過去」發出的。

照樣，如果在天狼星上看地球的話，所見到的也都是地球的「過去」。

但是你現在仍是活生生地位處於地球上，無法看到此「時光回溯」的景觀。

　　若是依據蟲洞的穿梭時空構想（圖10），當某人回到過去而遇到他的祖母正是年輕貌美時，他們可以相愛嗎?會不會因此不能誕生出他的母親呢?而他也就不會出現了呢？等等的倫理與因果的矛盾問題，你有辦法解決嗎 ?所以有人就質疑蟲洞的穿梭時空構想是不可行的，至少在純屬時光的旅行隧道是有問題的。

　　難道沒有更好的方式可穿梭於時間問題上嗎?科學家又想到另一種穿梭時間的構想，他們是想造一種可達無限長且超高速旋轉的時光機器，稱之為「宇宙旋」(Cosmic Strings)，來做為時間量度的新工具。

你認為可行嗎? 圖4.可觀測到的紅位移和藍位移成因示意圖 圖5.當光經過有物質分布的彎曲時空時，會造成光的偏折現象。

圖6.重力的本質是導因於物質的分布而彎曲了鄰近的「時間─空間」結構 圖7.星空中的海市蜃樓：時空彎曲造成的透鏡效應。

圖8.恆星兩極噴流 圖9.哈柏分類出的星系種類結構圖 圖10.蟲洞的穿梭時空構想示意圖 [回上頁]