引力可以穿越维度发挥作用,这点早已众所周知。在奇点处所有的物理原理都会失效,那是因为人们没有发现”裸奇点”,无法对它进行进一步研究。但是在奇点处一切都有可能发生,相对论和量子力学有可能在此处得到统一。黑洞只进不出,白洞只出不进。理论上黑洞有可能通过虫洞和白洞相连通。所以《星际穿越》里男主角掉入黑洞后,通过虫洞进入第五维是有可能的。
       霍金在解释虫洞的一个特性时曾举过一个例子,大意是说,你上午11点出门进入虫洞到另一端参加会议,有可能你回到家的时候是当天上午的10点。通过虫洞你可能比出发前更早就已经回来了。这就可以理解为什么库帕进入第五维后,看到的却是他女儿小时候的样子,包括他所做的那些提示,也都是在他出发之前就已经被他们父女所感受到。
       虽然在奇点处会发生什么大家都不知道,可以随编剧们发挥想象力,但作为一部严格的硬科幻,比较难理解的是男主掉入黑洞竟然没事。黑洞以其强大的引力出名,甚至连光都无法逃逸,男主下坠过程的加速度,应该是何等的恐怖就可想而知了。在黑洞处,进入虫洞必须加速到接近光速这个条件应该可以得到满足。另外黑洞会放射极强的X射线,紫外线以及致命的伽马射线,普通的宇航服根本不可能经受得住这个级别的考验。
       最致命的是黑洞对进入它引力场内的物体所施加的潮汐力,因为物体总有一端离黑洞近,另一端远一些,这就会产生巨大的潮汐力。别说男主和他的飞船,就是地球进入这个范围也都会被拉扯成意大利面条。接着强核力被克服,物质被分解成原子,甚至是中子、质子,更甚至是夸克,哦哦,到此,美女与野兽,太阳和月亮,钻石和煤炭都不再有什么分别,全部都成了粒子汤。
       可就是在这样严酷的环境下,男主还是安然无恙的进入了黑洞内的虫洞,最后完好无损的出现在土星附近的虫洞处。
       总体来说,这是一部感情戏为主,科幻元素为辅的大片。亲情戏和之前读《三体》系列的时候曾设想的一样。肯定是年轻的父亲乘坐光速飞船参与星际探索,等回来的时侯男主依然年轻,儿女们却已经可以当他的爷爷奶奶了。虽在意料之中,但我昨天还是被里面的亲情打动了。
       虫洞和五维空间的视觉呈现非常震撼。单这一点就已经值回票价了。另外剧情里面也涉及到了,重力透镜、引力弹弓以及黑洞的吸积圆盘,但是我们没能看到,给黑洞提供物质的恒星。假如星系的主恒星正在被黑洞吞噬,那么这个星系的行星也就命不久矣。既然主角们要去探索的行星离黑洞如此之近,又么可能适合人类居住?

  1. 库珀驾驶飞船穿越黑洞的段落,他竟然能毫发无损的穿越黑洞到达更高维度的时空。——事实上,当物质进入黑洞的视界(光子能逃逸的边界)后会因为巨大的潮汐力差产生的拖曳效应被拉成比面条还细甚至分子那么细的丝最后再撞上奇点。
    2
    他们穿越虫洞在黑洞附近找到了一个适合人类生存的星球——事实上,在黑洞附近不可能有适合人类生活的星球,恒星的热辐射及行星的大气,海水,土地都会黑洞巨大的引力吸走,甚至恒星和行星本身都会被黑洞吞噬。
    3
    库珀通过黑洞穿越虫洞回到土星轨道——假设库珀真的能从黑洞穿越成功,土星轨道上那个虫洞应该是与那个黑洞相应对应的“白洞”而不是空间自身褶皱产生的虫洞,白洞通过虫洞向外喷射物质及辐射,以斥力为主,光都无法靠近,那他们最初也无法通过那个虫洞穿越到黑洞附近的星系。
    之前唐突的拿文学作品《三体》问朋友和《星际穿越》比较,因为它们在很多元素上非常相似:世界末日、星际旅行、拯救人类等。虽然用文学作品和电影做比较是不合适的,但是在《三体》中作者对世界末日的人类社会形态、情感、末日时星际旅行的孤独与绝望、残酷的人性、理论物理量子力学和多维空间的描写,都要比《星际穿越》丰富立体且准确,《星际穿越》因为是电影的时长,各方面的描写就显得单薄很多。所以我奇怪朋友得出的《星际穿越》比《三体》NB的论据在哪里?真的有认真看过《三体》么?我还是觉得《三体》比《星际穿越》NB,不要抽我。
    各位,如果你还没有看过《三体》,恭喜!看《星际穿越》你能享受到更多的震撼和乐趣。
    但是以中国的电影制作水平,如果把《三体》拍成电影那肯定比不过诺兰的《星际穿越》。应该学习卡梅隆,技术不到就先等着不着急拍,等到多年都技术成熟了才有了《阿凡达》这样的作品。
    另外,看完《星际穿越》,再想想古代神话传说中的名句“天上一日地上千年”,是否有所启示?也许,神话传说不只是神话传说。:D

一、 黑洞及白洞;
二、 虫洞;
三、 时间与引力的关系;
四、 引力与第五维。

黑洞是空间中有着强大引力的超高密度的天体,假如太阳质量不变,大小却变成乒乓球那样,这就是太阳坍缩成了黑洞。
黑洞的特点就是有进无出,即:
①任何东西都可以掉进黑洞,黑洞外围有一层“事件视界”,任何东西只要过了这个“视界”,都要掉进黑洞。
②任何东西都不可能从黑洞里逃出来,包括光。
另外,因为没有光从黑洞逃出,故无法直接观测黑洞,但是从物体被黑洞吸入之前放出的紫外线、X射线等边缘信息可以获取黑洞的存在。

看完《星际穿越》,在一片好评声中带着膝盖去膜拜的,但是散场时还是收回了我的膝盖,由于期待太高而影片没有达到我的预期,还是有些失望,说一下我的感受。
本片的确是一部非常不错的影片,描绘了为拯救人类而行的星际旅行、在世界末日背景下的人性与亲情(散场时还看见有女孩在抹眼泪)。细腻的情感描写,真实的虫洞与黑洞,漫天的潮汐巨浪,高维度空间的超立方都让人印象深刻。
作为硬科幻,本片算是给观众科普了“双生子佯谬”的理论,这是爱因斯坦狭义相对论里的著名理论。本片并无太多华丽的视觉奇观,虽然号称有天体物理学家参与却还有一些明显bug(他大概只参与制作了黑洞和虫洞的模型吧—_—!),对煽情免疫的我自然是冲着“硬科幻”的原理印证和视觉奇观去的,所以难免有些失望。
说几个看片时就意识到的明显BUG,小的就不说了:

用地球话来解释,我们可以试想一个居住在地球上的人,因为他离地球较近,所受的引力相比距地球较远的某宇航员要大一些,所以地球人的缺钙需要以好几十年钙的摄取不足来实现,而宇航员仅在近地轨道待几个月就有各种不适了,比如骨质疏松和不会走路等等。

虽然回到过去没有科学依据支持,但科幻片毕竟是科幻的,所以出现回到过去的剧情也是有可能的。
这时就有一个每部有关穿越时空的科幻片都面临的问题:
假如我有时间机器(虫洞或者别的),我就能够回到过去母亲怀我之前把她杀死。此时,母亲死了,我就不会出世,那又怎么会有我穿越时空来杀母亲呢?这时就有这样一个矛盾出现了。

再进一步试想,如果我们把地球的质量扩大至四百万倍太阳的质量后便够条件形成一个黑洞,先假设某宇航员的质量为M,高度为L,且他的脚朝黑洞、头朝外部宇宙空域、并身处介于黑洞界限(我们可以把黑洞界限简单地理解为黑洞的地平线)与外部宇宙空域之间的某个三维空间点,那么我们这位悲催的宇航员的脚所受到黑洞吸引的天体引潮力就大大大于他的脑袋所受到的天体引潮力,这两股力的力差所形成的潮汐引力差就会在宇航员的脚和头部作用形成不同的加速度,脚的加速度大于头的加速度。然后就会出现以下这种既恐怖又神奇的现象:宇航员从脚开始再到脑袋,被潮汐引力撕碎成原子形态,甚而夸克,最后变成无数个能量环、即弦理论里提到的弦,进而为黑洞的质量添砖加瓦(不是说质量的产生来源于弦的波动吗?)。

虫洞在某个时刻产生,短暂地打开,然后关闭、消失。从产生到消失,时间极短,短到没有事物能在这么短的时间内从一个洞口穿到它另一个洞口。所以我们能利用虫洞进行时空旅行前提是有办法使虫洞一直开着,不让它消失。
基帕·索恩觉得有某种奇异物能贯穿虫洞,使虫洞一直开着。这种奇异物和人类所见的任何物质都大不一样,它具有负能量。
要实现负能量其实并不难,参照系不同便可实现。在飞船以接近光速的速度接近虫洞时,虫洞周围的能量自然就成了负的。
故要进入虫洞,飞船的速度必须接近光速。

地球表面所受到的引力因地球表面离地球近而相对于近地轨道的GPS由于远离地球表面而更大。这一点和前文提及的身长为L的悲催宇航员其头脚所受潮汐引力的不同有异曲同工之妙。地球人因为离地球近所以处于高势能区域,而引力导致的时空扭曲率在地球表面就比较大,时间就过得比近地轨道上GPS的原子钟慢一些;而GPS由于处于低势能的太空,受到的引力自然小一些,所以时空扭曲率也没有在地球表面来得那么明显,故而时间所受的约束较地球人要少,所以时间放肆地跑快了那么一点点,每天几个纳秒吧

不过累计起来一周,也能让GPS在地球表面的导航偏航6英里之多。所以GPS的原子钟每天都会自动校准。

同理,把这一现象照搬到 Gargantua
黑洞附近的米勒星球,现在地球和米勒星是两个互相的参照物,地球人所处区域的势能不变,Cooper
和 Brand 在米勒星的势能就完全彻底不可同日而语了。Gargantua
黑洞的天体引潮力有多大,不是地球引力所能与之相比的,Cooper 和 Brand
身处因潮汐引力所引起的特高势能区域,继而周遭的时空扭曲率也大得惊人,这就导致了在米勒星上的时间过得超级缓慢,而身处地球的
Murph
就在她老爹只度过的短短三个多小时内,便从10岁的小萝莉长成了中年妇女。

我们可以这样理解,如果通过虫洞,人类找到一个硕大无比的宇宙超级大黑洞,超过
Gargantua
亿万倍,在其附近如果能活着不被撕碎地待上一秒,也许地球上已过了千年、万年。那早已不是神奇了,而是极度恐慌。鉴于此,也许虫洞的最终被发现/构建对于人类来说并不是什么好事儿。而反过来想,如果没有宇宙外部空间的折叠,人类又如何在太阳变成红巨星、把整个太阳系烤成一片虚无之前,找到延续人类文明的另一座星球呢?

写到此,我才突然理解了诺兰在影片中所宣扬的唯有爱才能穿越时空这一观点。国内外网友很多人吐槽这所谓的爱的苍白和滥情与硬科幻的格格不入,说什么大团圆的结局降低了硬科幻的逼格。小卿児想说他们都错了,错得如此没有人性,因为诺兰已经把故事上升到了人类该不该被拯救的哲学高度。其实人类和人类文明都会最终消逝,纵观历史,人类似乎不值得被拯救,所以计划B才得以实施,计划A的人类移民才在影片开始时被设定为不可能。这才是最让人不寒而栗的硬恐怖,借用有关电影《2001:
太空漫游》的一个梗:如果影片的观众真正理解了影片到底在讲什么的话,那么一定是诺兰和索恩他们搞错了。

四、 引力与第五维

引力存在于第五维,按照爱因斯坦广义相对论的场方程定义,将时空弯曲与变形。

依据全息原理 (holographic principle),
所有第五维的事件都可以变换为其他四维时空事件。

引力作用于第五维的现象,是《星际穿越》中最烧脑的部分。影片通过串起存在于高维空间的人类
Cooper, 四维时空的小屋和中年的 Murph 来展示这一令人匪夷所思的概念。

为什么说匪夷所思?上文通篇对于黑洞的阐述无非就是要说干什么都不要掉入黑洞。而影片中打开第五维的关键,居然是以
Cooper

一只很大的飞船飞向一个天体,飞船头部距离天体比较近,受到的引力比较大,而尾部距离天体比较远,受到的引力比较小,头部和尾部的引力大小的差距,就会在飞船中间产生撕扯的拉力,这个拉力就是潮汐力。
如果天体是黑洞,质量非常大,飞船距离黑洞距离越小时,造成的引力差就会越大,这就是黑洞潮汐力。这个力甚至可以把飞船撕成碎片。飞船里的宇航员也同样会受到潮汐力的作用,
对于一般我们接触的物体,即使我们到达它的表面所产生的潮汐力也没有多大,但是,如果是黑洞这种超大质量超大密度的天体,则有可能产生很大的潮汐力将物体撕碎。
这个感觉很有可出现在电影剧情中。(其实第一个星球上的巨浪就是由黑洞巨大的潮汐力造成的。)

要真正理解《星际穿越》所呈现的所有可能性,就必须了解(不奢求理解,理解需要庞大的数学理论基础为后盾;所以本文隐去了所有涉及空间物理的期望属性及数学细节,不然有如:

3.时间机器

诺兰有着一颗向电影《2001: 太空漫游》的导演库布里克 (S. Kubrick)
致敬的少女心。《星际穿越》中但凡涉及太空的镜头,诺兰强悍地撤除了所有音轨所营造出的真空俱寂,使人不得不首肯深挖硬科幻即成恐怖片这一说法的精准。

1.什么是黑洞

1

不知道这些内容并不影响观影,但知道这些知识肯定是对观影有所帮助的。
目前我们对黑洞和虫洞的了解很多都停留在猜想上,这也让电影有很大的发挥空间。我觉得电影里的科学理论不应该是观影障碍,你不是科学家,你只要去相信去遵循作者的设定就好,重点本来就是在人性和情感上。

“A black hole horizon is a one-way membrane”
“黑洞界限是一单向性隔膜”

诺兰的新作「星际穿越」基于美国理论物理学家基普·索恩的理论成果,而他的理论成果基本都在他的著作「黑洞与时间弯曲」一书中,本文的科学知识基本都是我在这本著作中看到总结的。
该片剧情将涉很多的科学概念,包括虫洞、黑洞理论、相对论,万有引力等等。

  • 比如说,一个白洞。

对于这个矛盾,有两种处理方法:
①因果循环观点:历史不可改变,我虽然想杀母亲,但会有外界因素使我不能成功。或者说,过去某时某人死了,我回到过去想救某人,会有其他因素阻止我救人,甚至我的出现就是那个人死的原因。
②平行宇宙观点:时空不是唯一存在的,而是有无数个时空平行的存在,它们彼此之间一般情况是无法产生联系的。这种观点普遍被人接受。那么我只是穿越到另一个平行宇宙,杀死了那一个时空的母亲,并不影响我穿越前那个宇宙的母亲。也就是说我只是穿越到别的时空去了一趟而已,而不是回到过去或未来,更无所谓改变历史。

东西能掉进去,但没什么能出得来。所以,关于黑洞的往返旅程是被禁止的;而且即便是单程进入黑洞,物质在黑洞的另一端出口处,假设那名宇航员不管以什么形式还能出得来的话,出口处绝对不可能是黑洞。它必须是另外一种,甚至是更为光怪陆离的客体

观影之前最好先看一下以下五部极可能对诺兰的「星际穿越」有所影响的影片:
1.超时空接触:这部片与星际穿越有很大渊源
2.黑洞频率:儿子在无意中通过一台老式的无线电与三十年前的父亲联系上了
3.十二猴子:未来不可改变,挣脱不了的
4.星球大战:这部片激励了很多名导,包括诺兰
5.2001太空漫游:从预告中就可以看出星际穿越有很多致敬老库的地方

“Black holes not usable for interstellar travel”
“黑洞不可用于星际旅行”

2.负能量物质

这样的公式一旦出现在文章里,便有违此影评的原意了)以下四个知识点:

关于虫洞有三种说法:
一是虫洞是宇宙中相距遥远的两点间的一条捷径,就是一个苹果,虫子沿着苹果表面走远了,可是如果虫子挖洞从苹果里面走就近多了,顾明思议,虫子为了抄近路而在苹果里挖的洞。
二是虫洞是连接黑洞和白洞或黑洞与黑洞的管道,故在黑洞里能找到虫洞。(白洞:黑洞死亡会变成一个白洞,喷射出之前黑洞吸入的物质)
三是虫洞是时空隧道,能进行时空旅行。
没人见过虫洞,有人说我们周围到处都是虫洞,又有人说黑洞里有虫洞,基帕·索恩在书里又说我们可以自己构建虫洞。

相对地球人而言在三个多小时内穿越到了二十三年之后。天方夜谭吗?非也。既不是胡扯,更不是想象,而是实实在在的硬科学。和虫洞不同,物理学界尚未肯定虫洞的存在,而黑洞是确确实实存在的

我们的银河系中心就真实存在着一个巨大无比的强烈旋转型黑洞,不然,我们的银河系为什么会呈一个弱螺旋形的光碟形态呢?

其实,时间旅行的现象每天都在地球与近地轨道之间上演,不信就请去百度GPS校准.
要解释GPS校准的问题,就不得不提到引力时间膨胀。

爱因斯坦如是阐述引力时间膨胀为,在宇宙有不同势能的区域会导致时间以不同的速率而度过的现象。引力导致的时空扭曲率越大,时间就过得越慢。GPS校准的现象就是铁证。

星际穿越如果出现这种情况,诺兰会不会有什么不同于以上两种说法的新颖处理方法没有呢?

2

1.虫洞在哪里

歪打正着掉入黑洞、或更为确切地说是被未来的处于更高维时空的人类带入黑洞而开始的

那么黑洞视界呢?单向性隔膜的作用去了哪里?黑洞巨大的天体引潮力又怎样了?

这些其实都被影片忽略了。理论上我们已经很清楚地认识到,任何物体一旦进入黑洞就不可能出得来

  • 除非粉身碎骨地从白洞被喷出,前提还必须是黑洞死亡后。所以可以这样理解,
    Cooper
    一定是抱着必死的决心决定为主舰减负的同时也选择掉入黑洞。更进一步思考,Cooper
    也想试试看自己是否能按照理论设定的那样平安通过黑洞视界而进一步靠近奇点。影片设定黑洞的奇点(中心)是一个温和的奇点则来源于
    Gargantua
    黑洞的性质是一个强烈旋转型黑洞,其特性就是当物体高速掉入黑洞时,可以平安穿过黑洞视界而抵达奇点附近。而人类构建第五维的一个必要条件就是超级巨大的引力,而这样的引力只存在于超大型宇宙天体(例如大质量黑洞)的奇点处。也许理论上高速通过黑洞视界是可行的,但通过后,Cooper
    绝对没可能活着接近奇点。而 Cooper
    却因为第五维的存在而躲过被化为齑粉的命运。

Cooper
是被他们、也就是我们,拉进五维时空的。一开始,大家对这个他们都不甚了解;而进入第五维的
Cooper
恍然大悟间意识到这个他们其实就是我们。小卿児这样理解,这个我们并不特指未来的
Cooper
和机器人所组成的我们,而是指更高智慧、游走于高维时空的未来人类。为什么这样说?从基本逻辑来看,Cooper
的寿命毕竟有限,在他有限的时间里,科技水平不会如此快地发展到能够有能力构建五维空间。而当
Cooper
被拉进黑洞的那一刻起,整个事件就形成了一个以时间为载体的死循环。

说到这里,尚有一个概念需要理清楚,即构成五维时空的第五维不是引力,而是一个由时间构成的三维空间。在四维时空内的任何物体都有自己的时间轴,个体向前的时间轴、驾驶的车的时间轴、甚至写这篇影评时所用键盘的时间轴等等。现在设想将这些无穷多的时间轴向两边铺开,就形成了一个时间平面;然后再分别向上和向下拓展,无数的时间轴进一步形成一个由时间轴所构成的三维空间,每一个物体所存在的四维时空分别穿行于对应的某个时间轴。其实这些时间轴是同一个时间轴,沿着历史前进的唯一方向运动,且时间是绝对不会倒退的。而每一个四维时空事件都在五维时空内以一个三维空间的形式所呈现,即影片中被称为
Tesseract 的一个个立方角柱体 – 以三维的表现形式构筑的五维时空。

强大的引力存在于第五维,将时空弯曲与变形,而所有第五维的事件都可以变换为其他四维时空事件。五维时空内的时间轴被清晰分隔,每一个由时间轴构筑的三维空间都代表时间轴上的某一个四维时空事件,而这一串四维时空事件联起来看就是影片开头的闹鬼桥段。

因为四维时空在第五维由于引力而被扭曲,Cooper
就只能借助引力这唯一能够穿越时空的工具、并利用引力能作用的物体,如书、细沙和手表指针的跳动,向
Murph 传递二维码和摩斯码。至于 Cooper 本身,他并没有回到过去。

也许并不能用好看来形容《星际穿越》,因为好看这两个字在如此悚古震今的电影面前显得太过于渺小

  • 好看,是对此片的亵渎。

影片结束时,有很多欢乐的2B青年带头鼓掌。

小卿児也是其中一员。

  • The End –

讲解视频:

一、 黑洞及白洞

基帕·索恩在「黑洞与时间弯曲」这本著作的开篇讲了一个一支太空探险队在太空中探索黑洞的经历,故事挺无趣的,基本上就是形象地说了现代科学家对黑洞的研究成果:

所以,基普•索恩就此指出,在宇航员尚未抵达黑洞界限前就已经由于天体引潮力的作用而壮烈牺牲了。所以,任何物体掉入黑洞后再被撕碎的脑内想当然是不对的,实际情况应该是还没来得急感受到黑洞的地平线是啥模样,就已瞬间被挫骨扬灰、且华丽丽地变身成为亿万个闪闪波动的能量环,青的、紫的、黄的,什么颜色都有,但是由于黑洞潮汐引力太大,连光都跑不出去,所以可以假设其实这一残酷的过程,我们人类是看不真切的。

下面就说说「黑洞与时间弯曲」的第十四章虫洞和时间机器这一章的内容:
首先,基帕·索恩说了一件他的趣事:
1985年,基帕·索恩接到多年老朋友卡尔·萨根的求助。卡尔写了一本科幻小说,希望把小说里的科学理论写的准确一点,想让基帕·索恩指点一下。基帕发现书中的女主角居然掉进黑洞然后时空穿越了,这是不可能发生的。于是基帕写信建议卡尔要依靠虫洞做星际旅行。卡尔欣然接受建议,那小说叫「Contact」。后来被拍成电影叫「超时空接触」,也是马修主演,评价很好。
然后基帕·索恩开始讲虫洞:

基普•索恩就不能好好说话吗?简短扼要的有关黑洞的第二点解释看得小卿児云里雾里,不得不查阅谷歌度娘才稍微了解了一些,他的意思是说,任何物质只要一旦进入黑洞地平线就好似被一层隔膜隔在里面了,只要黑洞依然存在,就别想原路返回,除非黑洞要死了,进入黑洞的物质必须变身成其他物质

比如那些闪闪发光抖动的环,然后在黑洞死亡消逝的时候被喷吐出来,那个被喷吐出来的出口处早已不是黑洞(因为黑洞死了),而是白洞了。

二、 虫洞

要了解虫洞,首先要弄清楚两个概念:时空与空间。空间是三维的、时间静止的;而时空则是四维的,某时间点的空间沿着时间的推进而形成的一个个时间点组成时间轴,并且时间方向永远向前、不会后退,好比射出去的箭一般。所以,当我们描述四维时空内的某个物体的运动,我们称之为事件。简单地说,当苹果砸到牛顿头顶的那一霎那,就是一个四维时空事件:空有三维

  • 长宽高,时是一维,前进不止。

结合电影《星际穿越》所涉及的有关时间的现象,是通过黑洞及第五维来实现的,而非通过虫洞,下文将尝试详解。虫洞在影片中的功能,是用来连接两个相距十分遥远的外部宇宙空间。我们可以将这两个同时存在的外部宇宙空间想象成两个2D的平面,介于这两个平面中间的柱状通道就是虫洞,是存在在宇宙中的一个超空间管道;就好比一个苹果被虫子从一头直接咬穿至另一头、而不需沿着苹果的外弧绕半个圈一样。所以,当一艘宇宙飞船从近地球的外部宇宙空间,例如从位于太阳系外围的柯伊伯带出发,进入虫洞(在虫洞中旅行的时间忽略不计),再从远地球的外部宇宙空间,例如从距离地球888光年的小熊座λ星附近钻出,宇宙飞船本身并没有进行超光速运动或时间穿越,但穿过虫洞本身这一行为便间接实现了超光速所能达到的效果,
即宇宙飞船在忽略不计的时间内行进了光速需要旅行888年的距离,犹如处于同一时间点的两个相隔甚远的宇宙空间被瞬间折叠了。而《星际穿越》中的宇宙飞船则是通过虫洞来到了一个名为
Gargantua 黑洞的黑洞界限外的星球米勒 – Miller.
关于米勒星的知识点,小卿児将在第三章时间与引力的关系中做详细阐述。

网上有很多关于影片中虫洞形态的疑问 – 虫洞为什么会是一个球状体?

基普•索恩首先是假设了可通过虫洞的度规是静态球对称的。 这当然不是必需的,
但在广义相对论研究中乃是首选的简化条件, 比如广义相对论的第一个严格解 –
Schwarzschild 解,就是在这一简化条件下所得到的,
从它入手进行可穿越虫洞研究也是顺理成章的。 而且以天体物理的眼光来看,
虫洞如果是一种大尺度物质结构,
它的天然形态也确实最有可能像其它大型天体一样是接近静态球对称的。

还有,正如影片中所解释的一样,虫洞是连接相隔甚远的两个外部宇宙空间的两个点,分别为起点和终点。上文已将这两个外部宇宙空间简化成两个平面,将平面对折后、起点与终点重合。这个重合点是在2D平面下实现的,现在试想进入3D空间,重合点将向四面八方膨胀进而形成一个球状体。

所以,影片中的虫洞其形态并非介于两个外部宇宙空间之间的柱状通道,而是像一个气泡泡一样的透明球体。

基普•索恩认为,构造可通过的虫洞需要满足以下九个条件:

1

可通过虫洞的度规(度量标准)应既是球状对称的、也是不依时间变化的,即所谓的静态球对称。这样规定的初衷是为了计算的简化,而且我们也必须认识到,虫洞因球状或非球状的扰动可能会变得不稳定。《星际穿越》中的虫洞当然是稳定的,因为人类已开始利用保持虫洞持续打开的幻影物质。

2

任何计算结果必须满足广义相对论的场方程,前提是我们假定爱因斯坦的广义相对论是正确的,即物质告诉时空怎么弯曲,时空告诉物质怎么运动。

3

为了形成虫洞,虫洞的喉咙(柱状通道的中心)必须分别连接出入口的两个渐进平直时空

  • 虫洞基本结构的构架。

4

虫洞不存在虫洞界限(视界) –
同黑洞的道理一样,视界的存在会阻止双向旅行的可能性。

5

穿行虫洞的物体所受的天体引潮力必须小到可接受范围之内 –
撕碎了就没戏了。

6

穿行虫洞的物体必须在有限且合理短的时间内穿过虫洞,比如说少于一年,不仅在物体本身的时间来看,也在于位于虫洞外等待物体出现的个体的时间来看

  • 怕夜长梦多。

7

物质的能量、动量和张量是物理上合理存在的 –
也就是在太空中能够找到,一部分可以合理地就地取材;另一部分则可以被利用,比如宇宙飞船用来逃脱
Gargantua 巨大潮汐引力的加速度和减速度。

8

虫洞的解必须呈扰动下的稳定结构,其稳定性足以使一艘宇宙飞船得以通过。基普•索恩没有具体说明如何取得这样的稳定性,小卿児猜测这必定是以开采暗物质并利用幻影物质才能实现的。

9

虫洞的构建在理论上应该是可行的。例如,构建过程所需的物质其质量必须远小于宇宙的质量、构建时间也必须远小于宇宙的年龄,换句话说,就是要在有限的时间内、不浪费资源地利用宇宙中的原材料,多快好省地建造虫洞。

虫洞在微观世界中已被理论论证其存在的可能性。综上所述,如果人类的科技能够达到满足上述九个条件的屌炸天水平,那么从理论上来讲,人类是可以利用宇宙资源来实现人为构建可通行虫洞这一伟大壮举的。

《星际穿越》中的未来人类做到了,所以影片中涉及虫洞的部分并没有悖离代表当今世界最高水平的天体物理理论,并以壮阔的视角向无知的人类展示了一幅免于灭绝的末日美景。

也许,虫洞真的是终极拯救人类的第一块敲门砖。道理很简单,如果没有时空的弯曲,人类即便能够研究出光速飞行的技术,从星际旅行开始的时候,就已注定将迷失于太空。这样看来,霍金先生报名参加的星际旅行,心怀多少宇宙英雄主义式的悲壮啊!

三、 时间与引力的关系

影片中 Cooper (马修•麦康纳) 和 Brand (安妮•海瑟薇)
经过虫洞来到了一座位于 Gargantua 黑洞旁、全部由水组成的 Miller
米勒星球。

很多国内外的网友都吐槽这一设定,利用VPN翻遍 IMDb
和类似博客,吐槽点可以大致被归为三类,其一:米勒星球为什么不会被巨大黑洞吸进去?其二:Cooper
和 Brand
如何摆脱得了巨大黑洞的潮汐引力进出米勒星?其三:为什么在米勒星上的一个小时相当于在地球上的七年?

小卿児在此做一一解答。

其一,基普•索恩很聪明地在《星际穿越》中将 Gargantua
黑洞设定成为一个强烈旋转的黑洞 (rapid rotating black hole),
与Schwarzschild
的静态黑洞不同,涉及旋转黑洞的天体物理和有关静态黑洞的物理理论大相径庭。旋转黑洞理论上允许类似米勒星的相对近距离存在,而静态黑洞视界(界限)的周围则原则上不允许类似米勒星的形成。此为一解。回到上文有关黑洞界限(视界)的阐述,我们一定能够理解到,米勒星的位置必然是处于
Gargantua
黑洞的黑洞视界外,足够远离视界而不被潮汐引力的作用而分解;米勒星同时也距离
Gargantua黑洞的黑洞视界(界限)够近,而不至于偏离黑洞的轨道。此为解二。所以,影片中在米勒星上出现的那道有如巍巍山脉一般惊世骇俗的滔天巨浪是有其天体物理学依据的
– 只有 Gargantua
黑洞所产生的巨大天体引潮力方能引起如此大规模的海浪/海啸。

其二,根据钱德拉赛卡的《黑洞的数学理论》第61章、第117条公式计算出某物体环绕黑洞轨道所给出的特定能量值,以时间膨胀效应(将在后段给出解释)为出发点粗略估计黑洞的轨道半径为:

r ≈ 2.000025339 M

如果以上的估计值在可接受范围内的话,对于一个以最大速度旋转的强烈旋转型黑洞,钱德拉赛卡的公式给出的特定能量值则为:

E ≈ 0.777

也就是说,进入和离开该轨道所涉及的能量是物体静止质量22.3%等量的有序能(固溶体有序化时所引起的自由能变化),也就是大质量点,比如宇宙飞船,以有序运动而传递的能量,可以看成是功,如电能、化学能和机械能等。宇宙飞船的质量是在可控范围内的,其质量的22.3%也并不如其他网友所异想天开的那般无穷大。所以说,这个特定能量值是存在其科技支持的合理性的。简而言之,宇宙飞船有能力进入和离开米勒星球并成功躲避黑洞的潮汐引力,所需能量仅为宇宙飞船质量22.3%等量的有序能而已。要算出这个有序能的大小也不难,依据以下步骤,设影片中宇宙飞船的质量为
M, E则为飞船进入和离开该轨道所需的有序能,其出处就不必小卿児赘述了:

E = M • 22.3% •(299,792,458 m/s)2

其实这个特定能量值也是非常之巨大的,按目前的科技水平来讲,似乎人类还无法企及,毕竟1克质量等量的能量就有89.9万亿焦耳,也就是21.5千吨TNT炸药爆炸所释放的能量,或者是56.8万加仑汽油完全燃烧所释放的能量。可以想象,影片中的宇宙飞船想飞离黑洞天体引潮力的恐怖陷阱,就必须以不可置信的当量的N次方彻底开挂才行!

其三,米勒星上的一个小时相当于地球上的七年,也就是说,Cooper 和 Brand

2.黑洞潮汐力

R_rtr^t=-R_rrt^t=(1-b⁄r )^(-1) e^(-2φ) R_ttr^t

假定我们能找到虫洞并且有某种负能量可以让它一直开着,那么虫洞就可以是一个时间机器。
飞船要进入虫洞,其速度要接近光速。
根据爱因斯坦的相对论原理,如果你在太空中的速度足够快,可以做到在太空中呆了几十天,地球上却已经过了几十年,做到古人所说的天上一天地上一年,即如果你2014年坐飞船接近光束进行时空旅行一个月后,回到地球,这时发现地球已经是2044年,这就实现了穿越到未来。
故我们可以猜想剧情,等主角们穿越到其他星际空间完成任务后,回到地球,他们的儿女都和主角们一样大年龄了。
目前的科学理论表明,回到过去是不能实现的。

黑洞界限 (black hole horizon)
位于空间之表面分隔黑洞内被围困的那些不能与外部宇宙进行交流的空域和我们所处的外部宇宙空域。某物体质量
M
处于黑洞界限,黑洞巨大的质量所产生的天体引潮力作用于此物体、并在其两端产生硕大无朋的相对加速度,则此物体两端间的长度
L 的值会趋向于正的无穷大。

上面的问题的答案是肯定的,新颖的处理方法就是运用五维空间。下面说说我所理解的多维空间。
一维空间是线,由点组成。
二维空间是面,由线组成。
三维空间是体,由面组成。人就是三维生物。
四维空间是时空,由体组成。即物体花费时间移动形成时空。如一个人由小孩变成大人,这是一个四维事件。
五维空间由时空组成,如小明长大成了厨师是一个时空,小明长大成了老师是一个时空,小明长大成了警察是一个时空等等,而且不但有小明还有小红、小白、小黑小黄等等等,把这些时空当成物体放在一个空间里成了五维空间。
六维空间是由五维空间组成的,七维空间是由六维空间组成的,八维空间是七维空间组成的,以此类推。

《星际穿越》聘请了理论天体物理学界的泰山北斗级人物基普•索恩 (Kip S.
Thorne)
为影片的硬科幻提供科学支持。首先,基普•索恩早在1986年就提出黑洞不可用于星际旅行的观点,那他又是如何阐述这一观点的呢?

一、黑洞

三、多维空间(这一点是观影后补的-2014.11.16)

4.母子怪圈

尾言

二、虫洞

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