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《星际穿越》物理学:黑洞是什么样子的? | 科学人 | 果壳网 科技有意思

2014-11-12

(sorceress_60884/译)“当然啦,黑洞就应该是这个样子的。”当基普·索恩(Kip Thorne)望着在他的帮助下建立起来的黑洞时,心里便是这样想的。这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着,将宇宙的物质一点点地吸引过去。(这就是引力,相对论超诡异的。)理论上讲,黑洞本是一颗恒星,然而它最终没有熄灭或爆炸,而是像做塌了的蛋奶酥一样,坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点(singularity)。一道光轮环绕着里面的球形大漩涡,看起来似乎既从上面弯过去,也从下面弯过去了。

电影中展示的“黑洞”形象。为什么黑洞看起来会是这个样子?图片来源:wired.com

但这一切都十分自然,因为黑洞附近常常发生奇怪的事。例如,黑洞引力极大,以至于弯曲了宇宙的结构。爱因斯坦对此进行了解释:质量越大的物体,产生的引力就越大。像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力,导致光线弯曲,时空扭曲。更神奇的是,如果你离黑洞比我近,我们对时间和空间的感觉会不一样。相对来说,我的时间会过得快一点。

索恩从这个模型中看到了什么?作为一个天体物理学家,他的数学知识引导着这一迷人视效的诞生——这是有史以来对黑洞面貌的最准确的模型。同时,这个模型还是30个人、数千台计算机一年的工作成果。除此之外,这个黑洞还和一群星光熠熠的好莱坞明星联系在一起——马修·麦康纳(Matthew McConaughey), 安妮·海瑟薇(Anne Hathaway),杰西卡·查斯坦(Jessica Chastain),比尔·欧文 (Bill Irwin),卡西·阿弗莱克(Casey Affleck),约翰·利特高(John Lithgow)——因为这个黑洞模型是电影《星际穿越》的核心——《星际穿越》是克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)导演的太空旅行史诗巨作,北美11月7日上映。索恩从这个模型中看到了真实。而技艺非凡的图像制作师诺兰,看到的则是美。黑洞,即使是虚构的,也能让人的感知翘曲。

1972年的索恩。A. T. Service/ Wikipedia

索恩可不是你平时见到的普通的天体物理学家。确实,他是很出名的理论家,但是在他2009年从加州理工学院退休之前,他就已经对面向大众解释伤人脑筋的相对论充满兴趣。快退休时,索恩和制片人琳达·奥布斯特(Lynda Obst)——索恩和琳达已经相识了30年,当年是卡尔·萨根(Carl Sagan)给他俩安排了一场盲约会——就在谈论要不要制作一部涉及到黑洞与虫洞神秘性质的电影。不久之后史蒂文·斯皮尔伯格(Steven Spielberg)签约导演这部影片,编剧乔纳森·诺兰(Jonathan Nolan)写了一个剧本。不过最后斯皮尔博格退出,乔纳森的哥哥,以《记忆碎片》、《盗梦空间》这种把人绕晕的片子而闻名的导演克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)接手。在克里斯托弗·诺兰重写他弟弟的剧本的同时,他想弄明白这个故事核心里的科学内容。于是,克里斯托弗·诺兰开始与索恩见面。

2013年头几个月里,索恩和诺兰在探讨被物理学家称为“宇宙的翘曲一侧”的问题,如弯曲的时空,现实世界的缺口,还有引力如何弯曲光线。“可以说这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”索恩说道,“然而故事的精髓、拍摄一部一开头就将科学嵌入的电影这一目标,与这其中了不起的科学都得到了保留。

电影制作者们构思到的这个故事设定在一个反乌托邦的近未来:那时粮食将无法生长,人类处于灭绝的边缘。一位退役宇航员(麦康纳饰演)被征募进行最后一次飞行任务,这个孤注一掷的任务是寻找另一个能令人类生存并复兴的星系。

那么,问题来了。其他恒星离地球那么远,哪怕到达最近的几个恒星起码也要花几十年,而且连能在几十年内到达目的地的那个速度我们都不知道要怎么达到。不过早在1983年,当卡尔·萨根为他的小说寻找一种可行方案的时候(那部小说后来被拍成了电影《超时空接触》),索恩建议他使用虫洞,一个假想的宇宙裂口,它利用超越四维时空的更高维度连接两个相距遥远的点。所以对于《星际穿越》来说,虫洞也是不二选择。当索恩和诺兰讨论这部电影的时候,对于虫洞物理性质的探讨不可避免地向电影制作者提出一个问题:要如何将虫洞表现在荧幕上?

而这并非唯一让电影特效团队头疼的物理学。诺兰的故事依赖于时间膨胀:不同角色的时间过得不一样。为了让这点在科学上说得过去,索恩告诉诺兰他需要一个极大的黑洞——电影里这个黑洞叫“巨人”(Gargantua)——而且这个黑洞要以接近光速的速度旋转着。作为一个电影制作者,诺兰不知道如何将这种东西表现得真实可信。不过他知道谁可以帮他实现这个效果。“克里斯打电话跟我说他要派个人来我家谈谈视觉效果的事情,”索恩说,“我就答道,‘当然,请他过来吧。’”不久后保尔·弗兰克林(Paul Franklin)就到了索恩家。

弗兰克林知道他的电脑总能完成他的任何要求,这既是一个问题又是一种诱惑。“我们很容易落入陷阱,结果打破现实的规律,”这位赢过奥斯卡最佳特效的视觉特效工作室“双重否定”(Double Negative)的高级主管说,“而这些规律可是相当严格的。”

因此,他叫索恩写出一些公式,使他们的特效软件能反映出符合物理规律的真实世界。他们从虫洞入手。如果光在虫洞附近会一改经典规律——以直线传播——这会变得怎么样呢?要如何用数学来描述这一点呢?

黑洞扭曲光的示意图。图片来源:Kip Thorne

索恩递给弗兰克林的答案是一份研究深入的备忘录。这备忘篇幅很长,到处是引用来源,写满了方程,看起来更像是科学期刊里的论文。弗兰克林的团队基于这些公式写了新的渲染软件,然后将虫洞制作了出来。效果令人惊叹。这个虫洞就像是照出这个宇宙的水晶球,是时空里的一个洞。“科幻小说总喜欢把事情弄得神乎其神,似乎普普通通的宇宙总不能让他们得到满足,”弗兰克林说,“而我们从这个软件中直接得到的结果就已经让人难以忘怀了。”

虫洞的成功让特效队伍大胆地用同一方法制作黑洞。但是黑洞,看这个名字就知道,是光的杀手。电影制作者常用一种称为光线追踪的技术来渲染图像的光和反射效果。“然而光线追中软件都会使用一个通常来说合情合理假设,就是光沿直线传播,”“双重否定”的CG(计算机图形)监管欧也妮·冯·藤泽尔曼(Eugénie von Tunzelmann)解释到。因为黑洞遵循的可是一种完全不一样的物理规律,“我们就只能再写一个全新的渲染器了。”

有些单帧要花上100个小时来渲染,引力透镜这种爱因斯坦效应导致的小小弯曲让计算变得非常繁重。到了最后,这部电影占据了将近800TB的数据。冯·藤泽尔曼说,“我还担心这次我们可能要突破1 PB数据大关了。”

“克里斯托弗希望我们能向观众传达黑洞是球状的这一信息,”弗兰克林说,“我就跟他说,‘你知道的,它看起来会像是个圆盘。’你唯一能看到的就是它如何使笔直的光线拐弯。”过后弗兰克林开始阅读吸积盘(accretion disks)的内容。吸积盘是一团凝聚在一起的物质,它围绕着黑洞旋转。弗兰克林发现他可以用这圈环绕的碎石来确定黑洞的外观。

冯·藤泽尔曼做了一个巧妙的演示。她建立了一个多色的平面圆环代表吸积盘,然后把它放在旋转的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情发生了。“我们发现黑洞外围扭曲的时空同样弯曲了吸积盘,”弗兰克林说:“因此吸积盘并不像是土星环那样围绕着一个黑色的球,相反,光线弯曲会产生这样一个奇特非凡的光晕。”

电影中的吸积盘形象。图片来源:gq-magazine.co.uk

这就是为什么当索恩第一次看到黑洞的最终效果时会觉得“就该是这样嘛”。双重否定团队开始认为一定是渲染器里出了bug导致这个效果,但是索恩意识到他们已经正确地建立出与他给出的数学公式一致的现象模型。

尽管如此,没有人会知道黑洞到底是什么样子的——除非他们真的造一个出来。黑洞周围那些被吸过去但是逃脱一劫的光,在黑洞的阴影附近展示了出人意料的复杂特征图谱。而发光的吸积盘则在黑洞的上下方以及前方出现。“我从没预料到结果会是这样的,”索恩说,“欧也妮就做了这个模型然后说,‘嘿,我得到了这个。’这真是太棒了。”

最后,诺兰拿得了使故事升华的优美图像,而索恩得到了一部能使大量的观众都能学到一些真实准确的科学知识的电影。不过索恩还获得了一些意外的收获:一个科学发现。“这就是我们的观察数据。”他这样形容着电影的效果,“自然就是这样子的。句号。”索恩说他能从中发表至少两篇文章。

根据索恩提供的公式,特效人员构建出了黑洞模型,黑洞周围的光呈现出奇特的景象。图片来源:Interstellar

当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容时——黑洞的碰撞,旋转的星球引起的运动的时空,时间的弯曲——他会运用大量的类比,例如比作两个龙卷风相遇,或者将光线的弯曲比作风中的稻草。然而类比亦会蒙骗人们的双眼,让人们以为自己明白了某种事物的原理而实际上只是明白这个这种事物的表象。不过索恩带着光环的旋转黑洞,和涉及扩张星系的虫洞,不只是类比。绝大多数《星际穿越》的观众看到这些画面后——虫洞、黑洞、奇怪的光线——会心想“哇哦,那真是漂亮啊。”而索恩看到这些画面则会想,“哇哦,那真是真实啊。”而且在某种程度上,他也觉得它们很漂亮呢。(编辑:Ent,Calo)

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