黑洞與時間旅行 重力與時空 黑洞 蟲洞與時空旅行.

Präsentation zum Thema: "黑洞與時間旅行 重力與時空 黑洞 蟲洞與時空旅行."—  Präsentation transkript:

1 黑洞與時間旅行 重力與時空 黑洞 蟲洞與時空旅行

2 重力與時空

3 狹義相對論: 時間之相對性 前設:光速絕對→火車內外所見光速一樣 光鐘計時:火車內外所見不同 動鐘延滯!

4 廣義相對論 對等原理(Principle of Equivalence): 重力 加速座標

5 時間 空間 加速: 時間延滯 對等原理 重力拉慢時間 物質扭曲時空

6 黑洞

7 廣義相對論的黑洞 質能扭曲時空 質能大→時空深洞 光亦受重力扭曲， 亦受困黑洞 大質量

8 臨界半徑(critical radius)
對應每一質量，若物體半徑小於臨界半徑，便成為黑洞 臨界半徑正比於質量 例﹕太陽 ~ 三公里 地球 ~ 一公分 黑洞極黑極圓

9 黑洞何來？ 恆星之死

10 恆星(stars) 恆星=自行發熱發光、如太陽的星體 07/11

11 恆星之穩定 重力(收縮)與熱壓力(膨脹)之平衡

12 恆星之死 熱核反應燃料耗盡→重力勝 熱核壓力 重力 恆星 若質量大於幾倍太陽質量:重力必勝 →重力塌縮!

13 重力紅移 光離開重力場被紅移→損耗能量→紅移 紅移程度與重力場強度直接相關 黑洞＝紅移至波長無限長 光亦損耗所有能量

14 史瓦西黑洞 (Schwarzschild black hole)
靜止、不轉動、球對稱的黑洞 史瓦西半徑(Schwarzschild radius)＝臨界半徑＝事件穹界(Event Horizon) 奇點(singularity):密度趨無限大，進入事件穹界的物質必到達奇點。但已知物理定律不再適用

15 史瓦西黑洞

16 黑洞遊 遠離事件穹界外﹕重力場弱，牛頓定律適用→黑洞引力無異於同質量恆星 接近黑洞﹕重力場強 →時間延滯 →光線扭曲 →潮汐作用

17 重力時間延滯 愈接近黑洞，時間愈被拉慢(相對於遠離重力場的鐘) 在事件穹界上，時間完全停滯(從外看) t 黑洞

18 光線扭曲

19 潮汐作用(Tidal effect) 重力隨距離而減低→物體不同部份受到引力不同 例﹕人站在地面，腳所受重力大於頭 潮汐力﹕ 上下扯開，
左右壓縮

20 潮汐力

21 尋找黑洞

22 尋找黑洞 以圍繞黑洞的物質(吸積盤, accretion disk) 探知黑洞存在 黑洞外圍﹕觀測物質軌道，用牛頓定律推算黑洞質量
若質量大，體積小→黑洞 例﹕M87核心四分一弧秒範圍內物質以每秒五百公星高速旋轉→太陽系大小空間內有三十億太陽質量→超級大黑洞

23 NGC4261 距離一億光年，吸積盤半徑約八百光年 核心高速旋轉氣體盤→十二億太陽質量

24 黑洞質量與星系核心質量關係 黑洞質量 星系核心質量

25 銀河

26 銀河 織女 天鵝座 牛郎

27 銀河核心 人馬座 天蝎座

28 銀河核心黑洞 無線電波: 黑洞質量二百六十萬太陽 S2

29 銀河核心黑洞

30 中型黑洞 球狀星團

31 蟲洞與時空旅行

32 時間旅行 至未來: 原則上很易! 方法: 利用動鐘延滯! 以高速飛離地球再飛回 (雙生子佯謬): 例如飛行一年回到地球，地球已過十年
以高速飛離地球再飛回 (雙生子佯謬): 例如飛行一年回到地球，地球已過十年 到以前: 很難！ 利用重力扭曲時間→蟲洞

33 蟲洞 蟲洞＝時空隧道，連接兩時空點 由黑洞中心奇點延伸有蟲洞

34 黑洞、蟲洞、時空旅行？ 可否利用黑洞作時空旅行？ 不可，因: 黑洞潮汐力太強 (例: 10Mo黑洞表面重力每米相差107g)
從外看需無限長時間 黑洞吸入光線極後藍移: 極高能量撞向奇點，毀滅蟲洞 蟲洞只維持極短時間 必要有白洞相連，但極不穩定

35 蟲洞 可否不靠黑洞做蟲洞? 可，廣義相對論之解 但只維持短時間 需以極大張力物質抵抗重力以保持穩定 量子理論: 極小尺度時空充滿蟲洞
需有量子重力理論才能明白

36 回到以前 x t A B A飛至B，再通過蟲洞以短時間飛回 t’ 蟲洞，內有同一時間 t
A, B 各執蟲洞一端，B以高速飛離再飛回: t’ > t

37 時間旅行 通過蟲洞並不違反物理定律 因果律？ 如回到過去，殺死父親 極難製造大蟲洞 只有基本粒子可作時間旅行?
只準許自調和(self-consistent)解？

38 黑洞與時間旅行 重力與時空 質能扭曲時空＝重力 黑洞 時空極大扭曲 已發現、極普遍 蟲洞與時空旅行原則上可存在