好萊塢著名導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭(Christopher Nolan)執(zhí)導(dǎo)的科幻電影《星際穿越》，在全世界上映后迅速成為一部“現(xiàn)象級”電影，引發(fā)了人們探討科幻電影，乃至理論物理學(xué)的熱潮。這并不奇怪，因為這可能算得上是世界上第一部基本忠實地展現(xiàn)宇宙中各種奇妙的天體現(xiàn)象的電影。讓我們走進(jìn)天體的神秘空間，一邊科學(xué)，一邊幻想：

　　引力波觀測

　　根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論的描述，引力波是一種時空的褶皺，它自身具有能量，通過時空傳播。在理論上一些激烈的宇宙學(xué)現(xiàn)象，比如黑洞相撞、一個巨大的天體被黑洞吞噬等等，都會釋放出劇烈的引力波，并且有可能傳播到地球上。LIGO設(shè)置在美國華盛頓州和路易斯安那州的兩個天文臺，正是為了探測這種時空的褶皺，而在法國、荷蘭、意大利等國也都有類似裝置，日本也正在建造引力波探測裝置，人類正在形成一個引力波探測網(wǎng)絡(luò)，故事也就由此而起。

　　盡管人類目前在地球上還沒有探測到任何引力波存在的痕跡(2014年初，一組科學(xué)家宣布他們在南極探測到的宇宙微波背景輻射過程中發(fā)現(xiàn)了其中原初引力波的痕跡，證實了宇宙暴漲理論，這引起了全世界的關(guān)注，但是這個發(fā)現(xiàn)隨后被認(rèn)為是受到了噪聲的干擾，并不能成立)，但是在宇宙學(xué)觀測中，宇宙學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了證明引力波存在的有力證據(jù)。索恩相信，在未來10年內(nèi)人們就有可能在地球上探測到引力波，人類在并不遙遠(yuǎn)的未來就可以利用引力波來精確探測宇宙中的天體，這也正是電影故事發(fā)生的基礎(chǔ)。唯有如此，布蘭德教授才能在2019年發(fā)現(xiàn)太陽系內(nèi)蹊蹺地出現(xiàn)了一個蟲洞。

　　年輕的布蘭德在2019年通過LIGO觀測到了一場只持續(xù)了幾秒鐘的引力波大爆發(fā)，他開始調(diào)查發(fā)生引力波大爆發(fā)的位置。結(jié)果他驚奇地發(fā)現(xiàn)，這場激烈的爆發(fā)竟然是發(fā)生在太陽系的內(nèi)部，土星附近。這顯然讓他無法理解--這個程度的引力波大爆發(fā)只會發(fā)生在巨大且致密的天體之間，但是如果在太陽系內(nèi)部真的出現(xiàn)了這種天體，比如說一個巨大的黑洞，那么整個太陽系內(nèi)所有行星的軌道就會被黑洞巨大的引力所打亂，土星，以及太陽系所有的行星，甚至包括太陽在內(nèi)的整個太陽系，也應(yīng)該早就被摧毀，為什么布蘭德還能夠安全觀測到這場引力波大爆發(fā)，卻沒有觀測到太陽系內(nèi)有任何的異常現(xiàn)象？最終布蘭德發(fā)現(xiàn)，這個悖論只存在一個解釋，就是在土星附近出現(xiàn)的是一個穩(wěn)定的蟲洞，這個蟲洞連接了宇宙中遙遠(yuǎn)空間的兩端，它的兩個開口一個在太陽系內(nèi)的土星附近，另外一端則在一個超大型黑洞附近，也就是電影中描述的卡岡圖雅(Gargantua)黑洞，他所觀測到的引力波爆發(fā)，實際上是來自蟲洞另外一端的黑洞正在吞噬一顆中子星，這并未影響到太陽系的安全，但在這個過程中發(fā)出的引力波則有一部分通過蟲洞傳播到太陽系，進(jìn)而被布蘭德發(fā)現(xiàn)。

　　蟲洞

　　蟲洞已經(jīng)成為一切星際穿越題材的電影中最必不可少的裝置，這不僅是因為在理論上蟲洞自身奇異的特性，也是由浩瀚的宇宙自身所決定的。人類目前的活動范圍仍然被限制在太陽系以內(nèi)，一方面是受到自身科學(xué)技術(shù)水平的限制，另外也要受到狹義相對論的限制。愛因斯坦的狹義相對論規(guī)定，光速是宇宙中最快的速度(大約為每秒鐘30萬公里)，人類駕駛宇宙飛船，無論使用何種動力手段(包括核動力)，都很難接近光速。太陽只是銀河系中的一顆中等恒星，而人類所居住的太陽系本身是太陽的1000倍，光穿過整個太陽系都需要11個小時，而即使是以光速到達(dá)距離太陽最近的恒星，比鄰星(Proxima Centauri)也需要4.22年，以人類目前的科技水平，甚至是在可預(yù)見的未來，都絕無可能到達(dá)(在電影中，庫珀利用火箭從地球出發(fā)，到達(dá)土星都花費了兩年時間)。太陽和比鄰星，不過是銀河系中的滄海一粟而已，銀河系也只是浩瀚宇宙中的滄海一粟。那么人類想要進(jìn)行星際旅行，唯一的可能就是借助蟲洞進(jìn)行穿越。

　　蟲洞僅能夠存在于理論中，原因就在于索恩證明，它即使存在，也會極不穩(wěn)定，這種奇異的天體誕生-膨脹-收縮-死亡的速度極快，更有可能是在微觀尺度下的量子泡沫中隨機(jī)的產(chǎn)生和消失，遠(yuǎn)小于原子尺度，因此完全不可能讓人類進(jìn)行宇宙間的穿越旅行。而且，要形成一個在理論上穩(wěn)定的蟲洞，需要大量有負(fù)能量的“奇異物質(zhì)”，這在理論上也無法做到。

　　即使是在理論上可以實現(xiàn)，在宇宙中也很難“自然”形成一個穩(wěn)定的蟲洞，原因就在于人類目前觀測不到任何有可能形成蟲洞的天體。《星際穿越》中出現(xiàn)的其他天體，比如恒星、行星、黑洞、中子星等，人們都早已通過天文學(xué)觀測得到了證實，但是人類在宇宙中找不到任何天體存在著任何可能演變?yōu)橄x洞，而宇宙大爆炸過程中“自然”產(chǎn)生出蟲洞的機(jī)會也是微乎其微。

　　盡管如此，要實現(xiàn)星際穿越、探索宇宙中各種奇異的天體、挽救地球，一個可以穿越折疊空間的蟲洞仍然必不可少，否則人類連沖出太陽系都不大可能。索恩假設(shè)可以出現(xiàn)穩(wěn)定的蟲洞供人類進(jìn)行宇宙穿越，同時這個巨大的蟲洞就被放置在太陽系內(nèi)，這如同在一個失火的房子窗口恰好出現(xiàn)了一個安全梯，如此體貼，不可能是一個巧合。那么，在電影中解釋，只可能是一種更為高級的生命把蟲洞放在那里，專門為了解救人類。索恩通過計算，設(shè)置了土星附近蟲洞的大小：直徑大約是1公里，長度則只有幾十米，飛船穿越，應(yīng)該是一晃而過。但是諾蘭為了電影效果，還是將拍攝成蟲洞漫長且內(nèi)部充滿了奇異的閃光，猶如是駕車駛過一個黑暗的隧道，這其實也是很多人對于穿越蟲洞場景的想象。

　　黑洞

　　黑洞才是《星際穿越》整部電影中真正的主角，那個巨大的卡岡圖雅黑洞是這部電影的主心骨。不僅是導(dǎo)演，索恩為了設(shè)計這個巨大的黑洞也是傾盡心血，使它注定會成為電影史上一個令人難以忘記的鮮明角色。正因為卡岡圖雅黑洞的外觀和行為在極大程度上符合當(dāng)今的物理學(xué)理論，也正是由于黑洞的種種特性推動了情節(jié)發(fā)展，才使它如此鮮明，令人難忘。

　　黑洞同樣也是廣義相對論的產(chǎn)物。廣義相對論描述了物質(zhì)與時空之間相互作用的關(guān)系，真正開啟了人類的宇宙學(xué)探索。索恩的導(dǎo)師惠勒曾經(jīng)說，“時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲”。這句話就是對于廣義相對論極佳的概括。物質(zhì)(或是能量)可以使時空扭曲，而當(dāng)物質(zhì)的密度極大時，時空的扭曲到達(dá)極限，就會形成黑洞。從這個角度說，黑洞就是由卷曲的時空組成。在黑洞的視界范圍內(nèi)，任何物質(zhì)，包括光線都無法逃脫，因此注定只能是一片黑暗，但在黑洞的視界周圍，因為環(huán)繞黑洞的吸積盤的存在，又有可能發(fā)出光亮。在黑洞的中心，存在著一個時空卷曲到極致的點，稱為“奇點”，在奇點處任何物理學(xué)定律都將失效。

　　黑洞聽起來可怖且危險，實際上它是廣義相對論自然而然的產(chǎn)物，盡管黑洞會吞沒一切信號，人類不可能得到關(guān)于黑洞的直接觀測證據(jù)，但已經(jīng)有各種各樣充分的間接證據(jù)證明，黑洞確實廣泛地存在。在大多數(shù)星系的中央，包括銀河系內(nèi)，都坐落著一個巨型黑洞。銀河系中央的巨型黑洞Sagittarius A*的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的410萬倍(也就是說它的引力是太陽的410萬倍)，維系著整個星系。不僅如此，在銀河系內(nèi)還存在著大約1億個小黑洞，這些小黑洞大多都是由質(zhì)量在3～30個太陽質(zhì)量之間的恒星在燃燒盡自身燃料后發(fā)生內(nèi)爆，隨后又發(fā)生塌縮形成的。這種黑洞的質(zhì)量一般也是在3～30個太陽質(zhì)量之間。而銀河系中還有大約1億顆恒星將在死亡之后發(fā)生內(nèi)爆，進(jìn)而塌縮成為黑洞。

　　因為恒星死亡而形成的黑洞，質(zhì)量一般都不會太大，一般在100個太陽質(zhì)量以內(nèi)，而電影中索恩設(shè)置的超重黑洞卡岡圖雅，質(zhì)量遠(yuǎn)超銀河系中心的黑洞Sagittarius A*，達(dá)到1億個太陽質(zhì)量，并且在進(jìn)行著劇烈的自旋，這一切都是為了電影情節(jié)的發(fā)展而做出的合乎物理學(xué)理論的假設(shè)。這種超重黑洞不可能因為恒星死亡塌縮而形成，它們形成的原因人類目前還不清楚，有可能是由巨型的氣體聚合形成，也有可能是黑洞相互融合形成。如同卡岡圖雅這樣的巨大的黑洞，雖然在宇宙中罕見，但也并非是絕無僅有。目前人類發(fā)現(xiàn)的最重的黑洞名為NGC1277，它的質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的170億倍，距離地球2.7億光年遠(yuǎn)，這個距離大約是目前可觀測宇宙的距離的1/10。好在起碼人類不用擔(dān)心自己葬身于黑洞中，太陽系中并沒有這樣沉默的巨獸，最近的黑洞也距離地球300光年，不會威脅到太陽系。

　　過于接近一個黑洞時，除了會被它吞沒，還有另一個特性就是時間的流逝會變慢，這是由黑洞強(qiáng)大的引力場扭曲了時間維度造成的奇妙現(xiàn)象之一。愛因斯坦的相對論使人類擺脫了牛頓力學(xué)中的絕對時間(宇宙中到處都放著一塊顯示統(tǒng)一時間的手表)和絕對空間(宇宙中放著一把刻度精準(zhǔn)、永遠(yuǎn)不變的尺子)的概念，“同時性”的概念變得極為精妙，時間的流逝成了相對性概念，其快慢與一個人所運行的速度和他身處的引力場強(qiáng)度有關(guān)。實際上，在地球上，因為地球的引力場作用，同樣會出現(xiàn)時間膨脹的效應(yīng)，隨著海拔不同，時間流逝的速度也是不一樣的，GPS定位系統(tǒng)就必須通過廣義相對論對此進(jìn)行修訂。只不過因為地球的引力場相比于黑洞太微弱，普通人完全感受不到這樣的差別。在黑洞附近，引力場極強(qiáng)的條件下，時間的流逝顯著減緩，這樣才能達(dá)到諾蘭導(dǎo)演所需要的在米勒行星上停留一小時，地球上已經(jīng)過了7年的“滄海桑田”的電影效果。

　　除了黑洞造成的時間膨脹的效應(yīng)外，還必須要考慮其他更為現(xiàn)實的因素。在一個靜止的黑洞附近，如果想達(dá)到時間膨脹了6萬倍這樣顯著的效應(yīng)，根據(jù)計算，米勒行星必須貼著黑洞的視界運轉(zhuǎn)。在這種危險的區(qū)域運行，且不說米勒行星很可能會被黑洞的吸積盤所摧毀，它還會感受到巨大的潮汐力。因為距離黑洞太近，所以行星的近遠(yuǎn)兩端感受到的黑洞引力完全不同，這相當(dāng)于對行星進(jìn)行了巨大的拉扯。在一個巨型黑洞的視界附近，這種力量會輕而易舉摧毀一個行星，使行星表面的水分因為摩擦而變熱蒸發(fā)，行星自身也就成為灰塵。

　　巨大的潮汐力與強(qiáng)烈的時間膨脹現(xiàn)象形成了一對悖論，導(dǎo)演需要一個在黑洞附近能夠穩(wěn)定存在的行星，但又不會被潮汐力所摧毀。在這種情況下，索恩通過計算，發(fā)現(xiàn)只有讓這個相當(dāng)于1億個太陽質(zhì)量的黑洞進(jìn)行快速自旋，利用引力鎖定米勒行星，才可能同時滿足這個條件，這其實也是索恩自己的研究成果。索恩發(fā)現(xiàn)，電影中所需要的卡岡圖雅黑洞自轉(zhuǎn)的速度，恰好在黑洞自轉(zhuǎn)的極限范圍之內(nèi)，這樣，米勒行星在理論上就可以穩(wěn)定地存在，而且它表面上每一個小時一次的巨大水浪可能就是由有限的潮汐力，或是潮汐力造成的行星地震所引發(fā)的了。

　　引力彈弓

　　與在野外駕車出行一樣，進(jìn)行太空旅行時人們最需要擔(dān)心的就是，飛船燃料不夠了該怎么辦。在電影中，庫珀等人駕駛飛船探尋卡岡圖雅黑洞附近的三個行星，旅行途中還發(fā)生了意外爆炸，他們必須隨時注意節(jié)省燃料。更何況米勒行星在黑洞附近的運行速度超過光速的一半，要想在米勒行星上著陸，飛船也必須要達(dá)到同等的速度才行?？紤]到飛船此前花了兩年時間才從地球到土星，利用自身的動力系統(tǒng)，無論如何也不可能達(dá)到這個速度。所幸在黑洞附近，他們非常熟練地運用了引力彈弓手段，首先利用一個圍繞著卡岡圖雅黑洞運行的小黑洞的引力進(jìn)行加速(利用其引力加快自身的速度)，接近黑洞和米勒行星。之后再利用附近一顆中子星的引力場進(jìn)行減速，進(jìn)而與米勒行星實現(xiàn)同步，才實現(xiàn)著陸。

　　電影中通過引力彈弓手段達(dá)到接近光速的速度固然只可能出現(xiàn)在科幻電影中，但是實際上，人類的航天器利用天體引力進(jìn)行加速或減速的引力彈弓手段并不罕見。美國航空航天局(NASA)在1997年發(fā)射的“卡西尼-惠更斯號”航天器為了節(jié)省燃料，就曾經(jīng)利用木星的引力進(jìn)行加速，快到達(dá)目的地時，又利用距離土星最近的一個衛(wèi)星引力場進(jìn)行減速，完成探測土星的任務(wù)。只不過是，在實際中利用行星或是衛(wèi)星的引力進(jìn)行的加速或是減速的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如電影中利用黑洞或是中子星的引力改變自身速度的效果顯著了。

　　多出來的維度

　　在電影的高潮部分，諾蘭導(dǎo)演又一次運用了一個此前曾經(jīng)被使用過無數(shù)次的經(jīng)典電影橋段：主角庫珀駕駛著飛船中的著陸器縱身一躍，與飛船里的機(jī)器人TARS先后跳進(jìn)了卡岡圖雅黑洞的視界以內(nèi)，把女主角推回到了一個安全區(qū)域，而庫珀則踏上了死亡之路，注定無法再逃出黑洞。

　　量子力學(xué)和廣義相對論都誕生于20世紀(jì)初，經(jīng)過了100年的發(fā)展，這兩個學(xué)科已經(jīng)成為當(dāng)代物理學(xué)的兩個支柱。量子力學(xué)主要是描述在極小的微觀領(lǐng)域內(nèi)物質(zhì)的運動規(guī)律，而廣義相對論則是描述在極大尺度，或是物質(zhì)密度極高的條件下，物質(zhì)和時空的相互作用規(guī)則。在20世紀(jì)中期，物理學(xué)家們就已經(jīng)意識到了，廣義相對論和量子力學(xué)彼此間不能相互協(xié)調(diào)。這兩種理論所主宰的領(lǐng)域并不相同，但是試圖把它們?nèi)诤显谝黄?，形成一個大統(tǒng)一理論的嘗試至今為止全都失敗了。當(dāng)今物理學(xué)的“圣杯”，所有當(dāng)代物理學(xué)家的最終追求，就是獲得一種融合了這兩種理論的“量子引力理論”。如何才能獲得這種理論？物理學(xué)家們認(rèn)為，在這兩種理論同時起作用的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行真正的觀測，獲得數(shù)據(jù)，就有可能得到啟發(fā)。

　　庫珀和TARS縱身一躍，終于獲得了這種物理學(xué)家們夢寐以求的機(jī)會，而TARS也抓住機(jī)會，迅速獲得了觀測數(shù)據(jù)，這是融合兩種理論、建立完整的量子引力理論的關(guān)鍵。而就當(dāng)庫珀做好犧牲的準(zhǔn)備時，他和TARS一起進(jìn)入了一個“超立方體”，在這個高級生命為了拯救他們而特地放置在黑洞中的超立方體中，時間維度對庫珀打開了。

　　人們生活在三維空間中，而后相對論結(jié)合了時空，把時間變成了一個特殊的維度。人們在空間中可以自由游走，而時間維度的特殊之處在于，根據(jù)狹義相對論，盡管在不同情況下可能彼此前進(jìn)的速度不同，人們在時間維度中都只能前進(jìn)而無法后退，也就是說，人們無法“回到過去”。但是，空間除了前后、上下、左右三個維度外，還有沒有其他維度？此前物理學(xué)家們并不相信，認(rèn)為更高的維度只能是數(shù)學(xué)游戲而已。在1984年，兩位物理學(xué)家邁克爾·格林(Michael Green)和約翰·施瓦茨(JohnSchwarz)在進(jìn)行量子引力理論研究時發(fā)現(xiàn)，在更高的維度數(shù)中，量子力學(xué)和廣義相對論有可能相互融合，這個理論發(fā)現(xiàn)開啟了一個如今在理論物理學(xué)領(lǐng)域炙手可熱的研究領(lǐng)域--弦論。在弦論中，除了一個時間維度外，空間實際上存在有9個維度，人們只能感覺到其中的3個維度，而另外6個維度在卷曲起來中，使引力不至于發(fā)散得過快，以至于無法形成星系。從此以后，對于更高維度空間的研究不再是數(shù)學(xué)游戲，而是成為嚴(yán)肅的物理學(xué)探索。在電影中，出于視覺效果的考慮，導(dǎo)演并沒有展現(xiàn)出多余的6個維度，而只是展現(xiàn)了多出的一個維度，在這個維度中，時間維度也展開了，庫珀看到了自己和女兒的過去。原來，以前發(fā)給自己信息的人就是他自己。

　　庫珀收到了同在超立方體內(nèi)的TARS傳來的量子引力數(shù)據(jù)，希望把它傳給自己的女兒。但是他發(fā)現(xiàn)，他在時間維度上，無法與過去的自己相互聯(lián)系，他只能單方向收到來自過去的信息，他的女兒卻聽不到自己的叫喊。但是他馬上意識到，引力可以穿過各個維度，進(jìn)行時間旅行，正因為如此，他用力地反復(fù)敲擊他女兒房間的書架，產(chǎn)生的引力場使書架上的一些書掉落在地上，這正是他女兒長久以來追尋的“鬼”。也就是說，他可以通過引力作用與他的女兒進(jìn)行聯(lián)系。他在收到機(jī)器人TARS傳來的數(shù)據(jù)后，掌握了如何利用重力與另一個世界聯(lián)系，進(jìn)行時間旅行的方法。他敲擊表針，利用摩斯代碼與女兒聯(lián)系，終于把在黑洞里取得的量子引力信息傳送出去，解決了難題。

　　在另一個空間維度中，時間維度展開，得以進(jìn)行時間旅行，這固然是導(dǎo)演出于劇情需要而進(jìn)行的幻想，超出了目前物理學(xué)范疇，但在另一方面，也說明了很多物理學(xué)家相信，要解決量子引力問題，需要引入更多的維度。至于這個超立方體為什么會出現(xiàn)在黑洞的內(nèi)部，恰好拯救了庫珀于絕境，如同在太陽系內(nèi)忽然出現(xiàn)了一個蟲洞，只能說是更高等生命的有意為之了。

　　文章來源_生活三聯(lián)周刊 苗千 本文寫作主要參考了基普·索恩的《〈星際穿越〉中的科學(xué)》一書 采編_臨溪 圖_果殼網(wǎng)(科技圖)、時光網(wǎng)(海報圖)

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