看懂星際穿越要先看什麼電影（你真的看懂星際穿越了嗎）

2023-09-18 01:57:29

2019年4月10日，「事件視界望遠鏡（EHT）」項目發布了人類拍到的第一張黑洞照片，這個神秘的天體終於露出的真容，這是證明黑洞存在的最直接的證據，足以載入人類史冊。

人類拍到的第一張黑洞照片

2014年諾蘭導演的電影《星際穿越》被很多人奉為「神片」，也許是最「接近」黑洞的電影。

我們先來簡單回顧一下這部電影的主要情節：在未來，因為糧食的極度短缺，人類面臨著滅絕的風險。前NASA太空人庫珀與同伴一起背負上了「拯救人類」的使命，駕駛宇宙飛船，通過土星附近出現的神秘蟲洞，去探尋最適宜人類居住的星球。

在地球的這一邊，NASA的老教授致力於解開「重力異常」的難題，給人類爭取時間。庫珀掉入黑洞，發現這裡通過特殊的方式「連接」著女兒的房間，他通過改變重力的方式給女兒傳遞信息，最終，庫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，庫珀依然年輕，而女兒已經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

拋開電影的藝術成就，在很大程度上，這部電影的成功得益於它的科學設定。

《星際穿越》的科學顧問基普·史蒂芬·索恩（Kip Stephen Thorne，1940—），是2017年的諾貝爾物理學獎得主，他是美國理論物理學家，在引力物理學和天體物理學等領域頗有建樹。（老爺子還客串過《生活大爆炸》，他和霍金是朋友）因此這部影片的科學設定對很多人來說還是有些「硬核」。

如果不能理解晦澀艱深的物理名詞，讓我們換一種輕鬆的方式來解釋電影裡的科學設定，看完之後，或許重溫一下這部電影也不錯。

什麼是黑洞？

黑洞是一個球狀天體。如果一個天體有一定的質量但是體積特別特別小，或者說它有一定的體積但是質量特別特別大，能使得它表面的重力場特別強以至於連光子（形成光的基本粒子）都不能從這個物體裡脫離出去，那麼這完完全全就是一個對黑洞的經典定義。

黑洞模擬圖

《星際穿越》

十分接近黑洞的地方我們稱為「臨界穩定軌道」。事實上，如果你越過這一臨界軌道，你將陷入黑洞之中。但對那些距離它很遙遠的星體而言，黑洞構不成任何威脅。

為什麼電影中

人們的年齡會差距如此之大？

這個問題牛頓的力學觀點無法解釋，我們需要簡單了解一下愛因斯的相對論。

《星際穿越》

如果我們有一個非常精確的時鐘，就會發現當速度不一樣時，時鐘上的時間並不會以同樣的方式流淌。速度越快，時間流逝的越慢。狹義相對論將時間與空間聯繫起來，它表明空間與時間其實是在同一個基本框架下，空間與時間並沒有本質上的不同。

《星際穿越中的科學》

以牛頓力學的觀點來看，物體圍繞黑洞旋轉或是掉入黑洞仍然是引力所致。但是愛因斯坦的相對論認為，這些物體只是以一條「儘可能直」的軌跡穿過被黑洞彎曲的空間。這樣的觀點也同樣可以解釋行星圍繞恆星的運動。

不要將引力看作一種力，而是看作一種空間的變形，更準確地說，是時空的變形。

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

《星際穿越中的科學》

愛因斯坦證明空間也是「場」，它是一個東西，我們就像被放在了擴張中的橡膠上一樣。

也就是說，空間不再是一個獨立的實體：它是一個物理量，會被物體的存在改變。

在黑洞的表面，那些我們在中學所學的普通幾何學中的距離，現在可都會變成一個無窮的長度。不過如果我們從時間變換的角度來看可能會更容易理解：如果你將一塊表靠近黑洞表面，當它走一秒鐘，那麼在遠處，比如地球上，可能已經過了漫長的幾百萬年甚至數十億年光陰。

《星際穿越》

這也就解釋了，為什麼《星際穿越》中，男主角庫珀更年輕，因為他去的地方，時空因為黑洞的存在發生了更強烈的「扭曲」。

人類真的可以依靠蟲洞來時空旅行嗎？

在電影中，土星附近有一個蟲洞，正是這個蟲洞幫助庫珀一行人得以用很短的時間到達另一個遙遠的星系。蟲洞真的存在嗎？

《星際穿越中的科學》科學顧問基普·史蒂芬·索恩

《星際穿越》中的蟲洞

假設蟲洞存在，它們連接了不同的宇宙。這個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，而且很可能也不穩定，如果是這樣，沒有什麼物質可以穿過它們，只需要一個粒子就能「關上」蟲洞。

《星際穿越中的科學》

但是穿越蟲洞仍是一個十分有趣的理論上的可能性。科學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，另一種是旋轉帶電荷的克爾黑洞。假如我們掉進第一種黑洞，毫無疑問會撞上黑洞中心的奇點，被無情摧毀。但假如我們不慎掉進第二種黑洞，情況就變得有趣了。在第二種黑洞中，奇點變成了像戒指一樣的環狀。所以從理論上說，我們很有可能穿過奇點，通過愛因斯坦-羅森橋，成功到達另一個世界。我們的蟲洞旅行就成功了！

但這僅僅是廣義相對論中可能的理論解決方案，並不能保證它們在我們的世界中一定真實存在。像大象一樣大的螞蟻與物理定律並不矛盾，但它並不存在。蟲洞很有吸引力，但目前還沒有明顯直接的證據證明它們確實存在於宇宙中。

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？

黑洞首先是通過科學家計算得出的一種可能，在後來才被證實它是真實存在的。

直接觀測到我們銀河系中心的黑洞就像要看到一道距離我們千萬公裡的美味菜餚一般，難度很大，但我們可以通過三種方式觀測到它。

第一種是觀察遊蕩在銀河系中心附近的星體運動軌跡。我們可以看到（當然我們還是用光學望遠鏡去觀察這一切）並研究銀河系中心周圍星體的軌跡，我們可以精確計算出它們所圍繞的物體的質量和位置。這是完全在基礎物理學掌控之中的。我們觀察到的星體軌跡所揭示出的是一個巨大的物體，它擁有巨大質量，約是太陽質量的四百萬倍。但它十分昏暗（因為我們「看」不見它卻可以清晰地觀測到其他星體）又十分微小 ( 星體與它擦身而過而又沒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》

第二種探測黑洞的方式是：黑洞會吸收周圍物質，在此過程中，這些龐大的物質就像一個巨大的光碟，而光碟中心就是黑洞本身。那麼可想而知這將導致在這個光碟上出現十分劇烈的摩擦現象，摩擦將導致物質上升到很高的溫度。這樣一來我們就可以看到它放出的 X 射線。

《星際穿越中的科學》

第三種探測黑洞的方式是觀測氣體束。因為有大量物質環繞著黑洞，所以一些黑洞十分「活躍」，它可以釋放出強烈的氣體束並成為全宇宙最亮的物體……這些氣體粒子束並非從黑洞內部出來，那是不可能的。造成這種現象的原因是磁場，這其實也是一個幾乎存在於所有天文物理過程中的最基本現象。當粒子圍繞著黑洞的大型吸積盤向黑洞內旋轉時，一部分粒子在進入黑洞之前會被磁場拋出去，形成巨大噴流，它能被我們用望遠鏡觀測到，我們稱其為類星體。它的強度如此之高，以至於在距它 130 億光年之外的地球上都能觀測到。

如果你掉入黑洞

會發生什麼？

就一個黑洞而言，它的表面其實只能單純用數學來形容，沒有物質性可言。你在進入黑洞的過程中絲毫不會感受到它的存在。在我們進入黑洞過程中不會發生任何撞擊或碰撞。

《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，按照自然規律，水流速度會隨著接近瀑布而逐漸增加。即使你以最快的速度逆流而上，也無法逃避被水流衝向瀑布的命運。這個「無法返回」效應同樣適用於你被徑直衝向黑洞中心的情況。但是那條魚，也就是你，在這個過程中卻沒有察覺到絲毫異常。

但在這個過程中會從出現一個「潮汐效應」。想像一下，你頭朝下潛水，那麼你的頭將會比你的腳受到更大的吸引力。因此你會感受到某種程度的拉伸。