《星际穿越》科学大讲堂：黑洞很美也还算合理
对于不少国人来说，或许最近彼此间的问候语已经从“你吃了么？”变为“你星穿没？”，《星际穿越》在内地的热度可见一斑。
有人将诺兰大神的这部新作奉为烧脑大片，其实影片在情节上并不烧脑，无非是拿爱做文章；反倒是在作为辅助叙事手段的科学基础上，我们的诺导没有做足和做好理论方面的讲解铺垫，造成了一些观众对影片关键情节出现“两眼一抹黑”的混沌状况。
虽然不要求精通，但若想get到影片，还是要了解下相对论、引力场、量子物理、虫洞、黑洞和多维宇宙模型等等是怎么一回事。《星际穿越》既尊重了物理现实，与此同时又不受限于物理定律；甚至为了影片的情节，他还对物理定律做出了一定程度的改编，让影片更加刺激，更加好看。众所周知人类是无法直接观测黑洞的，那么诺兰和他的制作团队是如何设计出片中黑洞的呢？这其中有多少是遵循物理公式制作的模型，又有多少是艺术家的纯粹幻想呢？且听我们一一道来……
举足轻重的相对论以及时间膨胀
片中相对论的地位举足轻重，因为时空旅行、黑洞、虫洞以及时间膨胀效应，都是爱因斯坦的贡献。所以为了表现尊重，在NASA实验室的黑板上，诺兰把相对论的所有公式都写在了上面——当然，最后这些公式被杰西卡·查斯坦擦掉，写上了新的引力场公式。由此我们就能体会相对论对于影片的深刻意义。
最典型的当属相对论的时间膨胀效应。在爱因斯坦的公式中，时间在越强的引力场中流逝得越慢，所以在一颗靠近黑洞的行星上，时间流逝得比远离黑洞的其他行星缓慢许多。所以，这就是为什么库珀和阿梅利亚通过黑洞去米勒星上探索了几小时，现实里已经过去了23年的原因。此外，片尾库珀从黑洞中生还后，他的地球年龄已经124岁高寿了，但是他的生理年龄只有四十左右。
专家点评
罗伯托·特洛塔，天体物理学家、伦敦帝国学院高级讲师
——“电影的数学外衣相当不错。比如，黑板上的公式真的是教科书上广义相对论的公式。至于后面剧本说这些公式会失效，因为科学家还不理解引力和量子机制如何共同作用，这也很公允。”
状似“巨型肥皂泡”的虫洞还原度很高
神秘高冷的黑洞、虫洞诞生记
黑洞和虫洞同样是全片的关键元素，所有情节和主题再现几乎都是通过虫洞实现的。片中，与永恒号发生“亲密接触”的是一个质量相当于太阳一亿倍的黑洞“卡冈图雅”，它距离地球100亿光年，自转速度达到了光速的99.8%；“卡冈图雅”直径2千米，长度100亿光年，所连通的是另一个膜宇宙。片中的虫洞则被描述成一个“圆”，因为片中的宇宙只是一个膜。但从宇航员的三维视角来看，它是一个球体，能看到另一端的影像。
那么如何制造黑洞和虫洞呢？首先要明确膜宇宙和体宇宙的概念，我们可以把存在于三维空间里的宇宙想象成一个薄膜，这就是膜宇宙。如果在一个四维空间中，数个这样的膜宇宙便组成了所谓的体宇宙。体宇宙中的膜宇宙需要通过虫洞相连，而制造虫洞的基础，就是黑洞。质量的存在会扭曲相邻的时空，如果质量足够大——比如恒星坍塌成一个奇点，就能制造出一个黑洞。靠近奇点有一道屏障叫事件视界，因为黑洞引力极大，导致光线也无法逃逸，故而形成了这道屏障。一旦“过界”，就无法返回。
两个相距极远的奇点合二为一，就成了虫洞。正像片中解说的那样，虫洞把一个体宇宙通过重合的点维系起来，所以穿过虫洞就到达了另一个膜宇宙。有能力操控引力的物种，就可以制造出虫洞，并能比光速更快地穿过虫洞。这也就是片中墨菲接到了父亲库珀的提示，重新写出的引力场方程式，当控制了引力，她便利用虫洞，拯救了人类。
专家点评
罗伯托·特洛塔
——“片中黑洞的呈现——一团发光物质围绕着它，并逐渐被引力吞掉——是相当合理的；但如果你进入了那个区域只有两种结果，要么被灼热的伽马辐射杀死，要么被引力撕碎。”
菲尔·普莱特，天文学家、天文博客“糟糕天文学”博主
——“其中一颗行星距离黑洞很近，以至于出现了强烈的时间扭曲，行星表面的一小时等于地球的七年；不过我认识的好几位天体物理学家都认为，在这个距离上，黑洞的潮汐力应该足以摧毁那颗行星了。”
有专家对于黑洞的吸积盘提出了“改进意见”
呈现瑰丽奇美的黑洞与吸积盘
理论上说，黑洞也是一颗恒星，它没有消失或是幻灭，而是变成了一个不可逃逸的奇点。它很诡异地以光速或是接近光速旋转，这也令光线都被吸引过去。由于没有光线能从黑洞逃逸，所以人类也无法直接观察黑洞。那么问题来了，如何才能创造出一个合情合理的黑洞，并且把周围由于物质受到引力作用，向中心天体落下所形成的盘状结构的吸积盘也呈现出来呢？
诺兰选择了向科学家请教。他的人选是物理学家基普·索恩。索恩给制作团队提供了不少科学咨询和建议，他给他们写了一份在深入研究之后的备忘录，这本备忘录很长，里面到处都是引用的方程式。在此之前，电影从业者常常会使用一种叫做光线追踪技术的手段来渲染光和反射效果。而在制作黑洞的过程中，这一工具已经无法使用，因为黑洞遵循的完全是另一套物理定律。按照索恩的方程式，影片的特效团队“双重否定”重新编写了一套渲染效果器，一点点地渲染出来了黑洞。
这个黑洞，包括它边上的吸积盘，都非常复杂，有些单帧的渲染就需要100个小时。引力场的透镜则让这种爱因斯坦效应导致的弯曲变得难以计算，影片的数据量变得非常惊人。最终，《星际穿越》的特效制作产生了800TB数据。在看到最终的渲染效果之后，“双重否定”的工作人员并不确定这就是黑洞和吸积盘，他们认为这一定是软件出错的结果。不过索恩对此却深信不疑，他意识到特效团队已经利用自己的方程式创造出了正确的黑洞。由此，《星际穿越》也成为了影史迄今在物理上最准确描述黑洞的影片。索恩表示，他至少可以从这个模型中发表两篇论文。
专家点评
罗伯特·奈耶，天文学家、《天空和望远镜》杂志总编
——“电影制作者花了很大工夫渲染出科学上准确的黑洞，包括光的弯曲，但是他们好像忽略了多普勒效应和相对论性射束效应。吸积盘快速环绕着黑洞旋转，其中总会有些面向观察者飞来，另一些则远离观察者而去，飞来的那些物质看起来应该更蓝也更亮才对。而且虽然电影展现了明亮的吸积盘，可是这些被吸过来的物质却没有显而易见的来源（比如附近的恒星）。”
讲不清理还乱的多维空间
影片的高潮部分，主角进入了一个由高级生命（片中称之为“他们”）打开的五维空间。一方面机器人穿过黑洞，传回了量子数据，帮助人类完成了关于引力场的研究。另一方面库珀自己则经历了时间穿越和空间穿越，控制着引力场等元素，向之前的自己发出了“留下”的信号，并向女儿传递了新的引力场公式。按照影片描述，“他们”所处的空间是五维空间，至于“他们”是不是还存在于更高的多维空间之中，影片并没有介绍。
那么应该如何理解多维空间呢？我们生活在一个三维空间中，按照爱因斯坦的理论，如果在此基础之上加上时间这个维度，就得到了四维空间。宇宙的维度是爱因斯坦在广义及狭义相对论中提出的观念。现在的科学家认为，理论上宇宙是十一维的（即十维空间加一维时间），但是人类目前的智慧只能理解到三维。从四维空间一直到九维空间，都是物质和时间的空间，存在物理常量、存在与我们常识观念不同的物理定律。比如在六维空间中，时间可以反转，引力场可以被控制；而在十维空间中，已经不存在物质了——根据超弦理论，最小粒子不是实体的物质，而是由不同振动频率的超弦形成的物质，会在不同频率下产生不同的外在表现。因此在十维空间中，已经没有物质，只存在不同振动频率的弦，所以在十维空间中一切皆有可能。
专家点评
罗伯托·特洛塔
——“一个机器人进到黑洞那边然后还能送回‘量子数据’？就这么简单？这讲不通啊。听起来只是他们编出来用以推进剧情发展的，背后压根儿没有真正的物理学。”
太空休眠？对不起，醒醒吧！
无法实现的美梦：低温休眠
人类低温休眠在理论上是可行的，但是在技术和操作层面，目前又只是一个美好的幻想。在许多科幻电影中，几乎所有的宇航员在漫长的飞行旅程中都选择了休眠来捱过漫漫时光。不仅仅是《星际穿越》，在诸如《异形》、《深空失忆》等作品中，人类都用休眠来打发时间。
技术上的人类低温休眠，是指在极短的时间内，将人类冷冻到零下196摄氏度，让细胞停止活动，无限期地延长人类的生命周期。不过，目前人类尚无法做到这一点，尤其是在0到零下60度这个区间内，所产生的冰晶对人类细胞的破坏是致命的，而且水分的冷冻过程又会出现一个有悖于“热胀冷缩”的“热缩冷胀”物理过程。
令人“蛋疼”的墨菲定律
杰西卡·查斯坦在片中的角色名叫墨菲，片中也揭开了其来源——著名的“墨菲定律”。
墨菲定律在业内被戏称为“点背定律”。这个对“点背”的吐槽，成为了影片中一个罕见的喜剧桥段。墨菲定律由工程师爱德华·墨菲提出，其原句是：“如果有两种或两种以上的方式去做某件事情，而其中一种选择方式将导致灾难，则必定有人会做出这种选择。”其实，“墨菲定律”的根本内容是“凡是可能出错的事就有很大几率会出错”，这里指的是任何一个事件，只要具有大于零的机率，就不能够假设它不会发生。而这种不放过一丝希望的精神，也成为了片中墨菲对父亲不离不弃，最终从最不可能的地方得到提示，写出引力场方程式从而拯救全人类的契机。
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