豆瓣9.3，你真的看懂《星際穿越》了嗎？ 原創(chuàng) 星際穿越中的 理想國(guó)imaginist

2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”項(xiàng)目發(fā)布了人類拍到的第一張黑洞照片，這個(gè)神秘的天體終于露出的真容，這是證明黑洞存在的最直接的證據(jù)，足以載入人類史冊(cè)。

人類拍到的第一張黑洞照片

2014年諾蘭導(dǎo)演的電影《星際穿越》被很多人奉為“神片”，也許是最“接近”黑洞的電影。

我們先來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下這部電影的主要情節(jié)：在未來(lái)，因?yàn)榧Z食的極度短缺，人類面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。前NASA宇航員庫(kù)珀與同伴一起背負(fù)上了“拯救人類”的使命，駕駛宇宙飛船，通過(guò)土星附近出現(xiàn)的神秘蟲洞，去探尋最適宜人類居住的星球。

在地球的這一邊，NASA的老教授致力于解開“重力異?！钡碾y題，給人類爭(zhēng)取時(shí)間。庫(kù)珀掉入黑洞，發(fā)現(xiàn)這里通過(guò)特殊的方式“連接”著女兒的房間，他通過(guò)改變重力的方式給女兒傳遞信息，最終，庫(kù)珀的女兒解開了老教授遺留的難題，拯救了人類。再次見面時(shí)，庫(kù)珀依然年輕，而女兒已經(jīng)變成一百多歲的老人。

黑洞之心：

宇宙中最狂暴又最迷人的天體

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拋開電影的藝術(shù)成就，在很大程度上，這部電影的成功得益于它的科學(xué)設(shè)定。

《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)基普·斯蒂芬·索恩（Kip Stephen Thorne，1940—），是2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，他是美國(guó)理論物理學(xué)家，在引力物理學(xué)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域頗有建樹。（老爺子還客串過(guò)《生活大爆炸》，他和霍金是朋友）因此這部影片的科學(xué)設(shè)定對(duì)很多人來(lái)說(shuō)還是有些“硬核”。

如果不能理解晦澀艱深的物理名詞，讓我們換一種輕松的方式來(lái)解釋電影里的科學(xué)設(shè)定，看完之后，或許重溫一下這部電影也不錯(cuò)。

什么是黑洞？

黑洞是一個(gè)球狀天體。如果一個(gè)天體有一定的質(zhì)量但是體積特別特別小，或者說(shuō)它有一定的體積但是質(zhì)量特別特別大，能使得它表面的重力場(chǎng)特別強(qiáng)以至于連光子（形成光的基本粒子）都不能從這個(gè)物體里脫離出去，那么這完完全全就是一個(gè)對(duì)黑洞的經(jīng)典定義。

黑洞模擬圖

《星際穿越》

十分接近黑洞的地方我們稱為“臨界穩(wěn)定軌道”。事實(shí)上，如果你越過(guò)這一臨界軌道，你將陷入黑洞之中。但對(duì)那些距離它很遙遠(yuǎn)的星體而言，黑洞構(gòu)不成任何威脅。

為什么電影中

人們的年齡會(huì)差距如此之大？

這個(gè)問(wèn)題牛頓的力學(xué)觀點(diǎn)無(wú)法解釋，我們需要簡(jiǎn)單了解一下愛因斯的相對(duì)論。

《星際穿越》

如果我們有一個(gè)非常精確的時(shí)鐘，就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度不一樣時(shí)，時(shí)鐘上的時(shí)間并不會(huì)以同樣的方式流淌。速度越快，時(shí)間流逝的越慢。狹義相對(duì)論將時(shí)間與空間聯(lián)系起來(lái)，它表明空間與時(shí)間其實(shí)是在同一個(gè)基本框架下，空間與時(shí)間并沒(méi)有本質(zhì)上的不同。

《星際穿越中的科學(xué)》

以牛頓力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，物體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)或是掉入黑洞仍然是引力所致。但是愛因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，這些物體只是以一條“盡可能直”的軌跡穿過(guò)被黑洞彎曲的空間。這樣的觀點(diǎn)也同樣可以解釋行星圍繞恒星的運(yùn)動(dòng)。

不要將引力看作一種力，而是看作一種空間的變形，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是時(shí)空的變形。

來(lái)看看上面這張圖：這是一張黑洞周圍情況的模擬圖，你可以看到，黑洞不僅像一個(gè)黑暗的圓盤，而且它使周圍的星空發(fā)生了明顯的扭曲。

《星際穿越中的科學(xué)》

愛因斯坦證明空間也是“場(chǎng)”，它是一個(gè)東西，我們就像被放在了擴(kuò)張中的橡膠上一樣。

也就是說(shuō)，空間不再是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體：它是一個(gè)物理量，會(huì)被物體的存在改變。

在黑洞的表面，那些我們?cè)谥袑W(xué)所學(xué)的普通幾何學(xué)中的距離，現(xiàn)在可都會(huì)變成一個(gè)無(wú)窮的長(zhǎng)度。不過(guò)如果我們從時(shí)間變換的角度來(lái)看可能會(huì)更容易理解：如果你將一塊表靠近黑洞表面，當(dāng)它走一秒鐘，那么在遠(yuǎn)處，比如地球上，可能已經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的幾百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年光陰。

《星際穿越》

這也就解釋了，為什么《星際穿越》中，男主角庫(kù)珀更年輕，因?yàn)樗サ牡胤?，時(shí)空因?yàn)楹诙吹拇嬖诎l(fā)生了更強(qiáng)烈的“扭曲”。

人類真的可以依靠蟲洞來(lái)時(shí)空旅行嗎？

在電影中，土星附近有一個(gè)蟲洞，正是這個(gè)蟲洞幫助庫(kù)珀一行人得以用很短的時(shí)間到達(dá)另一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系。蟲洞真的存在嗎？

《星際穿越中的科學(xué)》科學(xué)顧問(wèn)基普·斯蒂芬·索恩

《星際穿越》中的蟲洞

假設(shè)蟲洞存在，它們連接了不同的宇宙。這個(gè)連接不同世界的通道，我們把它稱為“愛因斯坦-羅森橋”。這些橋的存在不僅不確定，而且很可能也不穩(wěn)定，如果是這樣，沒(méi)有什么物質(zhì)可以穿過(guò)它們，只需要一個(gè)粒子就能“關(guān)上”蟲洞。

《星際穿越中的科學(xué)》

但是穿越蟲洞仍是一個(gè)十分有趣的理論上的可能性?？茖W(xué)家們建立了兩種基本黑洞模型，一種是靜止且不帶電荷的史瓦西黑洞，另一種是旋轉(zhuǎn)帶電荷的克爾黑洞。假如我們掉進(jìn)第一種黑洞，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)撞上黑洞中心的奇點(diǎn)，被無(wú)情摧毀。但假如我們不慎掉進(jìn)第二種黑洞，情況就變得有趣了。在第二種黑洞中，奇點(diǎn)變成了像戒指一樣的環(huán)狀。所以從理論上說(shuō)，我們很有可能穿過(guò)奇點(diǎn)，通過(guò)愛因斯坦-羅森橋，成功到達(dá)另一個(gè)世界。我們的蟲洞旅行就成功了！

但這僅僅是廣義相對(duì)論中可能的理論解決方案，并不能保證它們?cè)谖覀兊氖澜缰幸欢ㄕ鎸?shí)存在。像大象一樣大的螞蟻與物理定律并不矛盾，但它并不存在。蟲洞很有吸引力，但目前還沒(méi)有明顯直接的證據(jù)證明它們確實(shí)存在于宇宙中。

蟲洞存在的可能性微乎其微

那人們又是如何證明了黑洞的存在？

黑洞首先是通過(guò)科學(xué)家計(jì)算得出的一種可能，在后來(lái)才被證實(shí)它是真實(shí)存在的。

直接觀測(cè)到我們銀河系中心的黑洞就像要看到一道距離我們千萬(wàn)公里的美味菜肴一般，難度很大，但我們可以通過(guò)三種方式觀測(cè)到它。

第一種是觀察游蕩在銀河系中心附近的星體運(yùn)動(dòng)軌跡。我們可以看到（當(dāng)然我們還是用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡去觀察這一切）并研究銀河系中心周圍星體的軌跡，我們可以精確計(jì)算出它們所圍繞的物體的質(zhì)量和位置。這是完全在基礎(chǔ)物理學(xué)掌控之中的。我們觀察到的星體軌跡所揭示出的是一個(gè)巨大的物體，它擁有巨大質(zhì)量 ，約是太陽(yáng)質(zhì)量的四百萬(wàn)倍 。但它十分昏暗（因?yàn)槲覀儭翱础?不見它卻可以清晰地觀測(cè)到其他星體）又十分微小 ( 星體與它擦身而過(guò)而又沒(méi)有明顯直接接觸的痕跡 )，很明顯，這正是黑洞的特性。

《星際穿越中的科學(xué)》

第二種探測(cè)黑洞的方式是：黑洞會(huì)吸收周圍物質(zhì)，在此過(guò)程中，這些龐大的物質(zhì)就像一個(gè)巨大的光盤，而光盤中心就是黑洞本身。那么可想而知這將導(dǎo)致在這個(gè)光盤上出現(xiàn)十分劇烈的摩擦現(xiàn)象，摩擦將導(dǎo)致物質(zhì)上升到很高的溫度。這樣一來(lái)我們就可以看到它放出的 X 射線。

《星際穿越中的科學(xué)》

第三種探測(cè)黑洞的方式是觀測(cè)氣體束。因?yàn)橛写罅课镔|(zhì)環(huán)繞著黑洞，所以一些黑洞十分“活躍”，它可以釋放出強(qiáng)烈的氣體束并成為全宇宙最亮的物體……這些氣體粒子束并非從黑洞內(nèi)部出來(lái)，那是不可能的。造成這種現(xiàn)象的原因是磁場(chǎng)，這其實(shí)也是一個(gè)幾乎存在于所有天文物理過(guò)程中的最基本現(xiàn)象。當(dāng)粒子圍繞著黑洞的大型吸積盤向黑洞內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，一部分粒子在進(jìn)入黑洞之前會(huì)被磁場(chǎng)拋出去，形成巨大噴流，它能被我們用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，我們稱其為類星體。它的強(qiáng)度如此之高，以至于在距它 130 億光年之外的地球上都能觀測(cè)到。

如果你掉入黑洞

會(huì)發(fā)生什么？

就一個(gè)黑洞而言，它的表面其實(shí)只能單純用數(shù)學(xué)來(lái)形容，沒(méi)有物質(zhì)性可言。你在進(jìn)入黑洞的過(guò)程中絲毫不會(huì)感受到它的存在。在我們進(jìn)入黑洞過(guò)程中不會(huì)發(fā)生任何撞擊或碰撞。

《星際穿越》主角掉入的高維空間

這就好比你是瀑布激流前的一條魚，按照自然規(guī)律，水流速度會(huì)隨著接近瀑布而逐漸增加。即使你以最快的速度逆流而上，也無(wú)法逃避被水流沖向瀑布的命運(yùn)。這個(gè)“無(wú)法返回”效應(yīng)同樣適用于你被徑直沖向黑洞中心的情況。但是那條魚，也就是你，在這個(gè)過(guò)程中卻沒(méi)有察覺到絲毫異常。

但在這個(gè)過(guò)程中會(huì)從出現(xiàn)一個(gè)“潮汐效應(yīng)”。想象一下， 你頭朝下潛水，那么你的頭將會(huì)比你的腳受到更大的吸引力。因此你會(huì)感受到某種程度的拉伸。

《星際穿越中的科學(xué)》對(duì)潮汐效應(yīng)的演示

對(duì)于密度非常低的大質(zhì)量黑洞，外部潮汐效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此在穿過(guò)它們的視界并在其內(nèi)部繼續(xù)旅行很長(zhǎng)一段時(shí)間里可能都不會(huì)受到任何傷害。相反，對(duì)于高密度的小質(zhì)量黑洞，潮汐效應(yīng)可能變得非常強(qiáng)烈，甚至?xí)屇阍谝暯缫酝鈫拭@趟旅行可能會(huì)在你到達(dá)黑洞之前就提前結(jié)束了。

本文摘編自

《黑洞之心：宇宙中最狂暴又最迷人的天體》

原標(biāo)題：《豆瓣9.3，你真的看懂《星際穿越》了嗎？》

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