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科幻电影中的各种穿越时空的方法

2015-10-30


《星际穿越》宣传海报
据国外媒体报道,克里斯托弗·诺兰的最新科幻大片《星际穿越》由于其中涉及黑洞以及行星探索方面的内容所具有的科学专业性而受到赞誉。
  这部电影的情节讲述的是一个濒临毁灭的地球。绝望中的人类派出他们最后一批宇航员,试图通过穿越时空中的隧道(虫洞),找到一个适合生命生存的新的家园。
  这部影片的导演克里斯托弗·诺兰可谓大名鼎鼎,他是经典大片《蝙蝠侠:黑暗骑士崛起》,以及《盗梦空间》的导演。但更加令人瞩目的是,这部影片甚至还邀请到了加州理工理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne)作为影片的执行制作人和科学顾问。他曾经为著名美国天文学家卡尔·萨根的《超时空接触》一书首次提出了“虫洞”的概念。
  索恩还专门为这部影片撰写了一部配套的书,叫做《星际穿越中的科学》,该书将跟随影片上映同步发售。甚至由于在本片制作过程中涉及的一些宇宙尺度特效的计算,索恩还准备基于这些计算发表几篇科学论文。
  索恩在谈论影片的幕后制作时表示:“在此前的任何好莱坞影片中都还从未有如此真实展现虫洞以及黑洞的场景。这是首次基于爱因斯坦广义相对论原理进行场景的构建。”
  然而美国弗吉尼亚州国家航天研究所的斯特恩·奥登瓦尔德(Sten Odenwald)认为索恩对于虫洞的观点可能与实际情况仍然存在距离。他表示:“我不认同他有关虫洞可能像是一个迪斯科灯的最新观点。”
  但不管真实的虫洞看上去是否像是一个迪斯科灯,星际穿越这部影片的确提供了一个视角,让我们思考人类在太空中长期航行的问题,甚至是为我们第一次去思考这一问题提供了很好的理由。
  就在上周,维珍银河公司的“太空船2号”坠毁造成一死一伤的惨剧。在这样的时刻思考这样的问题就显得愈发有一种不同的意义。我们是否值得用大量的金钱甚至是生命的投入,去换取让游客们能够去太空“到此一游”?在这场辩论中你将看到支持者与反对者之间激烈的争议。
  西斯·肖斯塔克(Seth Shostak)是总部位于加州的“搜寻地外智慧生命”(SETI)研究所的高级科学家,他是商业航天的支持者之一。以下便是他在邮件中对这一问题的回答:
  他写道:“历史的经验告诉我们,从长远来看,探索可能是我们所能做的一切中最能引起思想变化和社会变革的行为。如果没有哥伦布这样的探索者,我们中的大多数人可能都还是农奴。”
  从太阳系开始
  如果地球上的一切真的变得极其糟糕,我们是否的确像《星际穿越》中描述的那样需要一个虫洞?西斯·肖斯塔克对此的观点是否定的。他说:“对于地球上所发生的危机,正确的应对方式应当是向我们太阳系内的其他星球进发。当然火星是首选,但或许也可以是小行星。但主要的形式应该还是在太空运行的空间站。”
  奥登瓦尔德同样持有相似的看法,但相比之下内容更丰富得多。他说:“考虑到我们极为有限的资金状况,我们应当做的是殖民我们的整个太阳系。我希望将整个太阳系变成一座新的纽约城。”
  就在上个月,在《赫芬顿邮报》的一篇专栏中,奥登阿尔德指出了将人类送往其他星系路线图中的一些漏洞。他说:“即便是我们到了濒临灭绝的边缘,你真的认为全球70-100亿的人们都会愿意拿出所有的钱,然后耐心等待几十年,让少数几位幸运儿乘坐飞船离开地球去往一颗遥远的星球吗?——甚至在你都不能确定那颗星球是否是宜居的情况下。”
  正是这样的逻辑漏洞,提醒我们《星际穿越》毕竟只是一部影片,而不是人类虫洞远征的号召片。影片制作方的主要目标当然还是拍摄一部科幻巨制,并且能够带来滚滚票房。而如果他们的作品还能像去年的《地心引力》那样引发观众的一些严肃思考,那当然就更好了。
  理论上说,相比《地心引力》,《星际穿越》应当更能引起观众的思考,因为它涉及的是一个人类命运的终极问题,即人类的长久生存以及人类种族的向外扩张。另外观众在观影过程中还将直面一些科学现象——时间膨胀,黑洞,当然还有虫洞。

  虫洞的真实性
  那么究竟什么是虫洞?《星际穿越》的编剧一定很喜欢这个概念,因为它可以让人物从宇宙的一个角落直接出现在另一个角落而不用面对其飞行速度是否已经超越光速的质疑。你所要做的只是扭曲时空,并借助一个超维度通道——虫洞——将A点和B点联系在一起就可以了。
  在本片的情节中还出现了位于虫洞另一端的超大质量,高速旋转的黑洞的形象。这里正是索恩的科学计算发挥作用的地方,影片制作人根据索恩的计算结果制作了相应的特效。索恩的计算揭示了在黑洞引力场附近光线将会如何发生弯曲。而影片特效组则直接将索恩的设想变成了一个“怪物”——一个以接近光速疯狂旋转的黑洞。
  所有为了黑洞和虫洞可视化做出的努力最后都得到了回报——惊人完美的特效。但奥登瓦尔德对此仍然非常不认同,他表示:“这里的问题就在于,你只有两种方法在宇宙中产生一个虫洞。其中之一是宇宙大爆炸,另外一种就是在一颗恒星爆炸的时候。”

  搜寻宜居星球
  即便我们能够制造出一个虫洞并将其作为通往另一个宇宙的通道,这样做也将是极其危险的。很难预料在虫洞的另一端将会是何种情况。
 肖斯塔克表示:“我们目前已经有能力找到一些地球大小的系外行星,在未来数十年内我们还将发现地更多。但如果想找到一个和地球相似的新世界——比如要拥有富含氧气的大气层,那么实际上你所谈论的就是一个已经遍布生命的世界。那么这样可能还有出现食物的问题,还有如何面对当地的本地生命!”
  “搜寻地外智慧生命”,或者叫SETI项目,或许有一天会通过无线电波或激光信号让我们首次接触外星人。但无论是好是坏,在我们目前的阶段,实际接触地外智慧生命的可能性是微乎其微的。
  肖斯塔克在电子邮件中写道:“如果没有虫洞,我们想要抵达宇宙中的那些区域将会十分艰难。除非我们能够掌握一些我们目前还尚不能掌握的物理学原理(但也许那样的原理根本就不存在!),再或者我们能够掌握让人类长久休眠的技术。”
  但《星际穿越》是一部好莱坞电影,拥有1.65亿美元的预算,电影制作者们可以自由的使用科幻的手法来解决现实中的挑战。但他们具体究竟是如何做的呢?好吧,你去看看电影就知道啦。


  科幻大片《星际穿越》中的黑洞。拍摄过程中,《星际穿越》创作人员向世界著名物理学家基普-索恩取经。在视效小组的齐心努力下,《星际穿越》成为科幻片史上对黑洞的呈现最具有科学准确性的影片。《星际穿越》由克里斯托弗-诺兰执导,派拉蒙影业公司发行

  
据澳大利亚广播公司(ABC)报道,新上映的科幻大片《星际穿越》吸引了无数影迷的目光,片中对近距离观察时黑洞呈现的景象进行的准确描述让影迷们津津乐道。拍摄过程中,《星际穿越》创作人员向世界著名物理学家——美国加州理工学院的基普-索恩取经。在视效小组的齐心努力下,《星际穿越》成为科幻片史上对黑洞的呈现最具有科学准确性的影片。
  索恩表示:“在此之前,任何好莱坞影片都未准确呈现过虫洞或者黑洞。《星际穿越》是第一部准确描述黑洞的好莱坞影片,符合爱因斯坦的广义相对论方程式。”广义相对论阐述了引力的特性。黑洞是宇宙内已知引力最大的天体。爱因斯坦的方程式阐述了观察者所能看到的黑洞景象,但如果想解释黑洞信息悖论,你还需要借助量子方程式。
  索恩是物理学巨匠斯蒂芬-霍金的好友。在这两位理论物理学家的帮助下,我们对黑洞的认知进一步加深。在索恩的帮助下,诺兰巧妙地为观众呈现神秘的黑洞,将科幻与黑洞科学融合在一起。影片对黑洞的呈现不仅简单易懂同时富有美感。《星际穿越》制片人艾玛-托马斯指出:“视效部门利用索恩提供的数学数据,真实再现黑洞的景象。”
  索恩和电影视效部门将有关黑洞的数学数据和爱因斯坦的著名方程式进行视觉再现。为了让观众更直观地了解黑洞,他们采取了一个巧妙的做法,在黑洞后面“部署”一颗恒星。他们意识到这颗恒星放射的光线可能被困在黑洞事件穹界附近的扭曲时空。这种现象被称之为“引力透镜效应”,允许天文学家探测系外行星。
  在拍摄《星际穿越》过程中,主创人员进行了巧妙的设计。来自黑洞后方的恒星光线可能环绕黑洞事件穹界几周,而后朝着观察者的方向释放。具体到《星际穿越》身上,这个观察者便是摄影机。在视觉上,黑洞的边缘将展露出令人惊异的景象——恒星光线将在事件穹界边缘呈现出不同的景象。视效小组负责人保罗-富兰克林指出这会形成“一个怪异的太空漏斗”,被黑洞引力扭曲的恒星光线环绕黑盘。
  如果没有辐射吸积盘,任何黑洞都不算完整。《星际穿越》如何呈现吸积盘?随着物质坠落旋转黑洞的事件穹界,气体被吸入一个炙热的吸积盘,发出明亮的光芒。富兰克林表示:“我们希望呈现整个过程,对这种异乎寻常引力透镜效应进行可视化。我们发现引力将这个发光气体盘扭曲成怪异的形状,让你看到壮观的‘火彩虹’穿过黑洞顶部。当我看到这个盘在黑洞上方和下方环绕时,我能够很好地理解自己看到的景象。不过,理解和看到完全是两回事。”

  《星际穿越》对黑洞的呈现拥有极高的科学准备性,但如果视觉再现只是针对黑洞的数学,则没有太大意义。为了让观众看到他们更熟悉的黑洞景象,诺兰在呈现黑洞时赋予视效人员一些艺术创作自由。他说:“我们发现只要不大幅改变视角,我们便可得到一些非常易于理解并且富有美感的图像,呈现这些方程式。最后的视觉效果令人感到吃惊。”
  现在,索恩和《星际穿越》视效小组正为天文物理学界和电脑制图界撰写一些技术论文,阐述他们的发现。索恩说:“通过快速旋转黑洞,我们发现了一些与引力透镜有关的东西,是我们此前从未见过的。”
  科幻影片的第一要务并不是科学研究,而是娱乐观众。随着电脑绘图技术的不断进步,科幻片观众的要求也随之提高,促使电影人尽可能真实再现各种天文现象。也就是说,他们需要在创作过程中求助于科学家,让科幻片在讲述惊心动魄的故事的同时尽可能拥有科学的准确性。




  时间机器建立在虫洞的基础之上,有了这类“通道”理论,时间旅行才有可能实现:时间机器是科学幻想的产物,如果从广义相对论的角度看,确实给出了诸如封闭类时曲线等与虫洞有关的理论。广义相对论中通过黑洞等天体预言了宇宙中存在时空奇点,如果我们要想象这样的结构,那可能是一个巨大的无限平面,且是无边界的状态,每一处的曲率都是为零。在三维时空中,有些科学家猜测宇宙中存在一种被称为虫洞的通道,但是黑洞的视界可阻碍宇宙飞船穿越虫洞,按照目前的虫洞理论,穿越过程找不到理论支撑。



  《超时空接触》以阿雷西博天文台为背景:在与虫洞题材有关的电影中,《超时空接触》绝对是一部非常棒的科幻电影,票房高达1.66亿美元,华纳兄弟影片公司在1997年上映的这部影片中,动用了位于波多黎各阿雷西沃山谷中的阿雷西博天文台和新墨西哥州索科罗县的甚大阵,这些背景都是当时非常先进的射电望远镜,通过射电望远镜寻找外星智慧生命也是我们目前的主要方法之一。



剧情中,26光年之外的织女星存在宇宙文明,可通过虫洞抵达:在《超时空接触》剧情中,主人公通过射电望远镜接收到来自织女星的文明信号,其中还包含了时间机器的设计图纸,人类根据图纸制造出了时间机器,并把主人公送往织女星系统中,这趟旅程最大的收获是宇宙中存在无数个文明,时间机器甚至不是织女星文明建造的,在它们之前已经有更加高级的文明建造了时间机器。该影片除了以时间机器为线索外,最大的亮点是献给1996年去世的著名科幻作家卡尔·萨根。



  《黑洞表面》描述了2074年发生的恐怖时空事件:《黑洞表面》是一部科幻恐怖片,故事介绍了在2074年发生了一起太空船神秘失踪事件,一艘名为“地平线号”号的秘密实验船在测试新型动力,可实现超越时空。但是在测试中发生了意外,在失踪7年后竟然出现在海王星附近,于是一艘名为“洛斯克号”的太空船被派往执行调查任务,结果发现“地平线号”号上布满了尸体,整艘飞船血迹斑斑,于是关于“地平线号”号失踪的谜团开始浮出水面。



  “地平线号”号实际上是通过黑洞通道进入了另一个次元空间:原来“地平线号”号在启动新型引擎之后并没有按照原来的设想进行折叠空间内的跳跃飞行,而是进入了另一个时空,这里是属于宇宙之外的次元空间,或者说这里是“地狱”,如果再进一步描述,这个空间可以认为是“魔界”。进入地狱的船员发生了相互残杀,而“地平线号”号也变成了一艘具有“冥界生命”的飞船,于是“洛斯克号”的船员决定摧毁“地平线号”号,两者之间发生了激烈的意识控制与反控制,这是人类第一次认识宇宙之外还存在恐怖的次元空间。






  《虫洞效应》这是一部奇幻色彩更多的电影,来自未来的人工智能有机体回到了现实时空:《虫洞效应》的剧情中也描述了通过虫洞把现实时空与未来时空连接起来的情节,主人公在海边发现了一个神秘的盒子,此后她们的智力和异能潜力发生了突飞猛进的变化,大脑结构与常人有着很大的区别。一次意外的停电事故后,调查人员发现主人公的家存在重大疑点,结果发现神秘盒子中的玩具其实是来自未来的人工智能有机体,目的是拯救这个世界。该片也嵌入了心灵感应、虫洞隧道等科幻与奇幻元素。



  《星际之门》讲述了人类通过星际之门与其他文明接触的情景:《星际之门》是一部关于虫洞时空旅行的经典影片,其描述了美国军方发现了一个奇怪的圆环,其技术完全与现在的人类科技不同,而且有许多奇怪的字符,对此考古学家丹尼尔·杰克逊博士开始破译这些文字密码,结果发现这是一个虫洞隧道,可与另外一个时空连接,那么另一端是什么呢?军方派遣了一个轮式机器人进入星际之门,发现另一端的时空环境与地球相似,适合人类呼吸,于是一支全副武装的探险队进入星际之门,结果发现这里还有另一番世界,演绎了更加扑朔迷离的穿越时空大战。



  《星际迷航》剧情内的飞船使用到了曲速引擎:《星际迷航》的经典程度也是同类科幻电影所不能比拟的,2009年上映的影片是第11部《星际迷航》系列电影,剧情内的飞船使用到了曲速引擎,不仅能进行超时空的飞行,也能进行时间旅行,可通过黑洞事件视界进行作战,将敌方的飞船困住,并将其送回过去。影片中描述的场面非常宏大,那时候的人类掌握了黑洞和时空隧道的原理,可自由进出不同的空间。
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