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豆瓣9.3，你真的看懂《星际穿越》了吗？

2021-11-10 12:25

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

豆瓣9.3，你真的看懂《星际穿越》了吗？原创星际穿越中的理想国imaginist

2019年4月10日，“事件视界望远镜（EHT）”项目发布了人类拍到的第一张黑洞照片，这个神秘的天体终于露出的真容，这是证明黑洞存在的最直接的证据，足以载入人类史册。

人类拍到的第一张黑洞照片

2014年诺兰导演的电影《星际穿越》被很多人奉为“神片”，也许是最“接近”黑洞的电影。

我们先来简单回顾一下这部电影的主要情节：在未来，因为粮食的极度短缺，人类面临着灭绝的风险。前NASA宇航员库珀与同伴一起背负上了“拯救人类”的使命，驾驶宇宙飞船，通过土星附近出现的神秘虫洞，去探寻最适宜人类居住的星球。

在地球的这一边，NASA的老教授致力于解开“重力异常”的难题，给人类争取时间。库珀掉入黑洞，发现这里通过特殊的方式“连接”着女儿的房间，他通过改变重力的方式给女儿传递信息，最终，库珀的女儿解开了老教授遗留的难题，拯救了人类。再次见面时，库珀依然年轻，而女儿已经变成一百多岁的老人。

黑洞之心：

宇宙中最狂暴又最迷人的天体

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抛开电影的艺术成就，在很大程度上，这部电影的成功得益于它的科学设定。

《星际穿越》的科学顾问基普·斯蒂芬·索恩（Kip Stephen Thorne，1940—），是2017年的诺贝尔物理学奖得主，他是美国理论物理学家，在引力物理学和天体物理学等领域颇有建树。（老爷子还客串过《生活大爆炸》，他和霍金是朋友）因此这部影片的科学设定对很多人来说还是有些“硬核”。

如果不能理解晦涩艰深的物理名词，让我们换一种轻松的方式来解释电影里的科学设定，看完之后，或许重温一下这部电影也不错。

什么是黑洞？

黑洞是一个球状天体。如果一个天体有一定的质量但是体积特别特别小，或者说它有一定的体积但是质量特别特别大，能使得它表面的重力场特别强以至于连光子（形成光的基本粒子）都不能从这个物体里脱离出去，那么这完完全全就是一个对黑洞的经典定义。

黑洞模拟图

《星际穿越》

十分接近黑洞的地方我们称为“临界稳定轨道”。事实上，如果你越过这一临界轨道，你将陷入黑洞之中。但对那些距离它很遥远的星体而言，黑洞构不成任何威胁。

为什么电影中

人们的年龄会差距如此之大？

这个问题牛顿的力学观点无法解释，我们需要简单了解一下爱因斯的相对论。

《星际穿越》

如果我们有一个非常精确的时钟，就会发现当速度不一样时，时钟上的时间并不会以同样的方式流淌。速度越快，时间流逝的越慢。狭义相对论将时间与空间联系起来，它表明空间与时间其实是在同一个基本框架下，空间与时间并没有本质上的不同。

《星际穿越中的科学》

以牛顿力学的观点来看，物体围绕黑洞旋转或是掉入黑洞仍然是引力所致。但是爱因斯坦的相对论认为，这些物体只是以一条“尽可能直”的轨迹穿过被黑洞弯曲的空间。这样的观点也同样可以解释行星围绕恒星的运动。

不要将引力看作一种力，而是看作一种空间的变形，更准确地说，是时空的变形。

来看看上面这张图：这是一张黑洞周围情况的模拟图，你可以看到，黑洞不仅像一个黑暗的圆盘，而且它使周围的星空发生了明显的扭曲。

《星际穿越中的科学》

爱因斯坦证明空间也是“场”，它是一个东西，我们就像被放在了扩张中的橡胶上一样。

也就是说，空间不再是一个独立的实体：它是一个物理量，会被物体的存在改变。

在黑洞的表面，那些我们在中学所学的普通几何学中的距离，现在可都会变成一个无穷的长度。不过如果我们从时间变换的角度来看可能会更容易理解：如果你将一块表靠近黑洞表面，当它走一秒钟，那么在远处，比如地球上，可能已经过了漫长的几百万年甚至数十亿年光阴。

《星际穿越》

这也就解释了，为什么《星际穿越》中，男主角库珀更年轻，因为他去的地方，时空因为黑洞的存在发生了更强烈的“扭曲”。

人类真的可以依靠虫洞来时空旅行吗？

在电影中，土星附近有一个虫洞，正是这个虫洞帮助库珀一行人得以用很短的时间到达另一个遥远的星系。虫洞真的存在吗？

《星际穿越中的科学》科学顾问基普·斯蒂芬·索恩

《星际穿越》中的虫洞

假设虫洞存在，它们连接了不同的宇宙。这个连接不同世界的通道，我们把它称为“爱因斯坦-罗森桥”。这些桥的存在不仅不确定，而且很可能也不稳定，如果是这样，没有什么物质可以穿过它们，只需要一个粒子就能“关上”虫洞。

《星际穿越中的科学》

但是穿越虫洞仍是一个十分有趣的理论上的可能性。科学家们建立了两种基本黑洞模型，一种是静止且不带电荷的史瓦西黑洞，另一种是旋转带电荷的克尔黑洞。假如我们掉进第一种黑洞，毫无疑问会撞上黑洞中心的奇点，被无情摧毁。但假如我们不慎掉进第二种黑洞，情况就变得有趣了。在第二种黑洞中，奇点变成了像戒指一样的环状。所以从理论上说，我们很有可能穿过奇点，通过爱因斯坦-罗森桥，成功到达另一个世界。我们的虫洞旅行就成功了！

但这仅仅是广义相对论中可能的理论解决方案，并不能保证它们在我们的世界中一定真实存在。像大象一样大的蚂蚁与物理定律并不矛盾，但它并不存在。虫洞很有吸引力，但目前还没有明显直接的证据证明它们确实存在于宇宙中。

虫洞存在的可能性微乎其微

那人们又是如何证明了黑洞的存在？

黑洞首先是通过科学家计算得出的一种可能，在后来才被证实它是真实存在的。

直接观测到我们银河系中心的黑洞就像要看到一道距离我们千万公里的美味菜肴一般，难度很大，但我们可以通过三种方式观测到它。

第一种是观察游荡在银河系中心附近的星体运动轨迹。我们可以看到（当然我们还是用光学望远镜去观察这一切）并研究银河系中心周围星体的轨迹，我们可以精确计算出它们所围绕的物体的质量和位置。这是完全在基础物理学掌控之中的。我们观察到的星体轨迹所揭示出的是一个巨大的物体，它拥有巨大质量，约是太阳质量的四百万倍。但它十分昏暗（因为我们“看” 不见它却可以清晰地观测到其他星体）又十分微小 ( 星体与它擦身而过而又没有明显直接接触的痕迹 )，很明显，这正是黑洞的特性。

《星际穿越中的科学》

第二种探测黑洞的方式是：黑洞会吸收周围物质，在此过程中，这些庞大的物质就像一个巨大的光盘，而光盘中心就是黑洞本身。那么可想而知这将导致在这个光盘上出现十分剧烈的摩擦现象，摩擦将导致物质上升到很高的温度。这样一来我们就可以看到它放出的 X 射线。

《星际穿越中的科学》

第三种探测黑洞的方式是观测气体束。因为有大量物质环绕着黑洞，所以一些黑洞十分“活跃”，它可以释放出强烈的气体束并成为全宇宙最亮的物体……这些气体粒子束并非从黑洞内部出来，那是不可能的。造成这种现象的原因是磁场，这其实也是一个几乎存在于所有天文物理过程中的最基本现象。当粒子围绕着黑洞的大型吸积盘向黑洞内旋转时，一部分粒子在进入黑洞之前会被磁场抛出去，形成巨大喷流，它能被我们用望远镜观测到，我们称其为类星体。它的强度如此之高，以至于在距它 130 亿光年之外的地球上都能观测到。