科学眼观科幻片——《星际穿越》

电影回放

未来的地球，人类将面临严重的生存危机。各种农作物相继患上枯萎病，大饥荒发生，人口大规模减少。为了躲避肆虐的沙尘，人们不得不搬离家园，苟活于阴暗的地下室之中。人类岌岌可危，眼看就要走向灭亡。与此同时，一些科学家注意到地球和周围空间出现了引力异常，并发现了通往另一个星系的捷径。为了人类的生命延续，库珀等人组成了一支航天队伍，踏上了前往另一个星系为人类寻找宜居行星的征途。然而，这有可能就是人类的最后一次航天任务。在历经种种艰险之后，库珀能否遵守诺言，回到女儿墨菲的身边呢？

人类的危机和希望

相较于其他关于“末日”的科幻电影，《星际穿越》开篇对于人类终极危机的描述看起来温和了许多：没有一击夺取人命的超级病毒，没有极端严重的自然灾害，没有脱离人类掌控的邪恶机器人，有的只是频发的沙尘暴和以一定速度感染枯萎病的农作物。有的观众甚至怀疑，这样的危机是否足以使人类灭绝？答案是，只要假以时日，电影中看似“温和”的灾难也绝对会产生使人类灭绝的威力。如果真的有一种高度致命的、攻击不同植物种群的枯萎病传播开来，那么包括人类在内的大量动物都将逐渐失去食物来源，人类消亡只是时间问题。随着植物被纷纷击垮，土地沙漠化也会日渐严重，届时地球上的一切生命都将被沙尘笼罩。

不过，现实中人类已知的植物枯萎病，难以同时具备“高度致命”和“广泛攻击不同植物种群”这两个特点。这就使得电影中的假设变得难以发生。加州理工学院的植物学家迈耶罗维茨在给电影《星际穿越》的科学顾问、著名物理学家基普·索恩提建议时指出，如果存在一种攻击植物叶绿体（植物进行光合作用的细胞器）的病原体，那么所有植物都无法幸免于难。电影中的危机看似温和，实则是极为罕见的严重灾难。

面对危机，科学家总是积极寻找解决方案。他们在土星附近发现了一个虫洞，而這个虫洞正是通往另一个星系的捷径。美国国家航空航天局通过发射探测器和先遣的载人飞船，发现了三个可能具备人类生存条件行星。主人公库珀等人的任务，就是找到最适合人类居住的那颗行星，为将来的人类移民做准备。宏观的虫洞（如电影中连接两个星系的虫洞）是无法稳定存在的。所以，电影设定的虫洞只能是由某个超级文明制造，并将它放置在了人类可以触及的地方。不仅如此，通过这个虫洞前往另一个星系中的宜居行星需要的时间，甚至可以比在银河系内航行所需的时间更短！人类存亡之际，这个超级文明表现出了极大的善意。

旅行到黑洞边缘

“永恒号”穿越虫洞后，来到了一个巨大的黑洞附近。这个名叫“卡冈图雅”的超大质量黑洞的质量是太阳的一亿倍，是基普·索恩和“双重否定”视觉特效公司经过理论计算和数值模拟得出的。黑洞本身并不发光，那么图片中的光来自哪里呢？原来，落向黑洞的气体会在黑洞周围形成一个盘状结构，叫作“吸积盘”：吸积盘的气体由外侧落向内侧的过程中，会将一部分引力能量转化为电磁辐射，包括伽马射线、X射线、紫外线、可见光和射电辐射等。黑洞吸积盘可以产生极大的能量，最典型的例子就是宇宙中最亮的一种天体——类星体。不过，由于剧情的需要，电影中的“卡冈图雅”被设定为一个十分宁静的黑洞，这样才能保证主角们靠近黑洞时不会被高能辐射伤害。“卡冈图雅”只有一个极薄的吸积盘，其中的气体量在类星体的吸积盘面前，实在是微不足道。在我们的想象当中，黑洞周围的吸积盘看上去应当是一个发光的环，可电影中的“卡冈图雅”并非如此！在我们想象的光环所在平面的上方和下方，同样出现了吸积盘的光线。这两部分光线其实来自黑洞的背后，吸积盘的光受到黑洞强烈的引力影响而发生弯曲，最终呈现在了前方。背景光源的光线在引力场附近经过时发生弯曲，就像通过透镜而弯曲一样，因此这种现象被称为引力透镜效应。引力透镜效应被爱因斯坦的广义相对论预言，而后得到了众多天文观测的证实。强引力透镜效应往往能够使大质量天体背后的光源产生两个或多个镜像，有时还会在前景的大质量天体周围形成一个环——“爱因斯坦环”。图中便是哈勃空间望远镜拍摄的爱因斯坦环。质量很大、引力也很大的明亮红色星系LRG3-757将背景的蓝色星系发出的光线扭曲，形成了一个较为完整的环状结构。

其实，电影中最终呈现的黑洞只是一个简化的、不够准确的版本。首先，黑洞强大的引力场会使吸积盘的电磁辐射发生“引力红移”，即频率降低（波长变长），整个盘的颜色会变得更红：其次，从左向右旋转的吸积盘还会使电磁辐射发生多普勒频移，也就是朝我们而来的光（左侧）频率升高，颜色变得更蓝，而离我们而去的光（右侧）频率降低，颜色变得更红：最后，根据物理学中的刘维尔定理，频率更低（偏红）的光线将变得更暗，频率更高（偏蓝）的光线将变得更亮。同时考虑到以上三种效应，“双重否定”视觉特效团队和基普·索恩得到了一个更接近真实情况的黑洞图像：吸积盘的亮度左右严重不对称：左侧更亮更蓝，右侧更暗更红。

在电影中，库珀等人要探索黑洞附近的三颗行星（实际上只登陆了其中两颗），其中，米勒行星有一个惊人的特点：时间流逝速度极慢，它上面的1小时相当于地球上的7年。广义相对论指出，引力导致的时空扭曲越大，时间就过得越慢。这意味着米勒行星要极靠近黑洞，才能获得强引力带来的极端时间变慢的结果。但是，如果黑洞本身没有自转，行星是无法在离黑洞足够近的地方保持稳定的。基普·索恩的解决方案就是，黑洞“卡冈图雅”必须有极快的自转速率，因为黑洞物理理论指出，旋转黑洞可以允许物体在更靠近黑洞的轨道上稳定运行。在这个稳定的轨道上，行星的运动速度足够大.受到的离心力和引力才能相互平衡。这时，只有受到强烈的干扰（如与其他天体碰撞），行星的运动速度被改变，才有可能飞离黑洞或者落入黑洞。

有的观众担心，电影中行星离黑洞如此近，即便不会被黑洞“吃掉”，那它又会不会被黑洞的潮汐力撕碎呢？靠近黑洞的行星会受到很大的潮汐力，这是因为在行星中心和黑洞的连线上，行星不同位置受到的黑洞引力不同，靠近黑洞一侧受到的引力更大，远离黑洞一侧受到的引力更小，这种引力的差异会使行星发生形变，被拉长甚至撕碎。要使行星不被撕碎，有三种方法：一是让行星的直径尽可能小，二是让黑洞的质量尽可能大，三是让行星离黑洞更远。这三种方法都能使行星不同位置受到的引力差异变小，即减小了潮汐力。在电影中，“卡冈图雅”的质量足够大，恰好可以使最近的米勒行星不被撕碎。但是，米勒行星上的滔天巨浪还是告诉我们，这里的潮汐力已经大得可怕！

落入黑洞

在电影中，库珀选择进入黑洞，记录下了黑洞内部的量子数据，从而解决了这场灾难的终极问题——引力问题。那么，黑洞中到底隐藏着什么秘密，值得库珀用生命去冒险呢？

进入黑洞首先可以回答黑洞有无奇点的问题。一些基于广义相对论的理论指出，黑洞内部存在物质密度和时空曲率无穷大的点，即奇点，并且奇点可以不止一个。按照这样的理论，物质落入黑洞后首先会被强烈的潮汐力撕碎，而后在奇点处被无限压缩直至被摧毁。天体物理学家张双南同样从广义相对论出发，经过计算提出了“黑洞中心没有奇点”的理论，他认为落入黑洞的物质会在黑洞内部分布，但是不会到达中心，黑洞中心没有物质，也就没有奇点。如果库珀进入黑洞后并不落向中心，我们就有理由相信奇点其实并不存在。

不過，电影中库珀还是遭遇了所谓的奇点。他在“巡逻者”号飞船中，感受到奇点造成的越来越强的潮汐力，在飞船迫近奇点、即将被撕裂时，库珀被弹出了飞船，并被“超立方体”营救。如果奇点真的存在，那么库珀用机器人塔斯记录的黑洞内部的量子数据将有可能是人类建立“万有理论”的关键。在现有的物理学体系下，广义相对论是最成功的引力理论，它始终不能与量子力学调和，广义相对论可以预言奇点的存在，但却不能描述奇点发生的物理过程。电影中猜测，如果知道了黑洞内部，尤其是奇点处的物理性质，我们就可能完善量子引力理论，甚至可以找到控制引力的办法。而在现实中，我们只能被引力操控。

超越四维时空

在电影的最后，库珀在黑洞中被营救，进入了“超立方体”。超立方体具有四个空间维度和一个时间维度，比我们感受到的时空（三维空间和一维时间）多出了一个维度。因此，库珀实际上进入的是“超体生物”（更高级的存在与更高维度的文明）为他准备好的超立方体的截面，那是一个个的三维空间。在这些三维空间中，库珀可以看到不同时间的女儿墨菲的卧室，但他无法与墨菲对话，更不能穿越到墨菲的卧室中去。因为库珀看到的是来自过去的光线，而不是正在发生的事情。在这里，影片做了一个对拯救人类非常重要的假设：尽管时间无法倒流（也就是说库珀无法穿越到过去），但是引力可以在五维的时空中传播，包括在时间维度上。库珀奋力地朝着书柜方向敲击，产生的引力波信号传到了过去的墨菲卧室，让书掉下书柜。知道自己可以制造引力异常后，库珀开始给墨菲发送编码信息，而且得益于超体生物对超立方体时空的设计，库珀传递的黑洞内部的数据可以通过引力波抄近道传递给未来的墨菲。墨菲依靠这些信息最终解出了引力问题的终极方程，掌握了控制引力的方法——这应该就是后来的人类可以轻易把大型空间站发射到土星附近的原因。

宇宙到底有没有比四维更高的维度？首先，我们目前能观测到的宇宙只有三个空间维度和一个时间维度，这一点毋庸置疑。不过，仍然有不少理论尝试用更高维时空的假设来解释尚未解决的物理问题，其中主张宇宙不止四维的物理学理论主要包括超弦理论及其派生而来的M理论。超弦理论认为宇宙一共存在十个维度（九维空间+一维时间），而M理论认为宇宙共存在十一个维度（十维空间+一维时间）。无论如何，超弦理论和M理论的终极目标，就是找到“万有理论”，从而解释一切粒子、作用力和整个宇宙。不过，这样的理论并不能提供实验可检验的预言，或者可观测的天文效应。因此，这些理论也受到不少人的质疑。

有一件事情足以令我们感到欣慰。浩瀚宇宙中的渺小人类，一再地超越了探索的边界，即便生活在三维空间，他们也没有被束缚，而是在头脑中描绘出各种各样的可能性。即使“万有理论”并不存在，我们也会依靠科学，航行得越来越远，离真理越来越近！

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