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「精析」看《星际穿越》必懂的18个天文物理及理论问题

猜目前还有不少人还没看过《星际穿越》这部电影吧?

有木有?有木有?有的话推荐看一下

文于2014年的“博科园”的混编文…首发于百度平台

今在这里精编一下给大家梳理呈现

《星际穿越》同时做为目前有史以来最科学的科幻电影~当然也是很强的烧脑大片…下面将较详细的为大家分析一下整部电影所涉及的天文物理及理论问题的烧脑问题、当时有人说《星际穿越》是学霸看的电影,也有人说是理科生看的电影…看完本帖你不论不是学霸还是理科生都能看懂此片!粗略简科普~欢迎做详细解释说明或指误~详细知识内容请参考各:文献资料或论文等

看懂《星际穿越》你可能需要懂或知道:相对论、量子力学、黑洞,虫洞理论等物理知识…

《星际穿越》将宇宙学研究与电影结合的如此完美…堪称目前最科学的科幻电影

《星际穿越》长达169分钟,诺兰式强大的“烧脑”叙事情节不在话下,最让网友挠头的是各种天文、物理概念,“该片的高冷气质皆因随处可见的‘弯曲时间’、‘宇宙黑洞’、‘引力使光扭曲’等等……让本片接近科教片的行列”…赞不赞?

18个问题目录分别是:

(问题当然不止于18看个人怎么分了)

TOP.1:黑洞真是洞?

TOP.2:什么是虫洞?【No.1】

TOP.3:什么是虫洞?【No.2】

TOP.4:五维空间

TOP.5:奇点

TOP.6:时间膨胀

TOP.7:与女主人公名字相同的定律:墨菲定律

TOP.8:我们熟识的“相对论”

TOP.9:引力弹弓

TOP.10:如果真有高维空间,为什么我看不到?

TOP.11:什么是穿越?

TOP.12:虫洞真实存在吗?

TOP.13:为什么Cooper乘坐的飞船要不停的旋转?

TOP.14:Cooper航行的目的地是哪?离地球有多远?

TOP.15:为什么Miller行星上面会有巨浪

TOP.16:为什么Cooper从Miller行星返回后已经过去二十多年并且Romily已经老了?

TOP.17:真实的虫洞和黑洞看起来是什么样子的?

TOP.18:Murph的鬼魂是怎么回事?为什么Cooper在虫洞中可以观察到所有的历史事件?Cooper和Murph是怎样实现通讯的?

注:排序不分排名或先后只在方便阅读

TOP.1:黑洞真是洞?

《星际穿越》主要讲述了一对探险家利用他们针对虫洞的新发现,超越人类对于太空旅行的极限,从而开始在广袤的宇宙进行星际航行的故事、除看过《星际穿越》也有不少人以为黑洞真的是洞!

事实上,黑洞并不是洞,它不是空的,恰恰相反,黑洞是宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无力逃脱,甚至目前已知的传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出。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。《星际穿越》这部电影画面中呈现的黑洞,是30个人使用数千台计算机,用一年的时间,制造出的电影史上最准确的黑洞模型。他的理论支持者是基普·索恩,他基本上是最伟大的黑洞大师之一。

推荐《黑洞战争》(一本有关现代物理学、量子奇异性和恒星命运的书)

拓展阅读:(点击蓝色字进入)


黑洞“黑”的原因

TOP.2:什么是虫洞?【No.1】

人类目前可以感知的是四维时空,三维空间加上一维时间。然而,多种证据表明:也许我们生活在一个更高维的宇宙中,只是人类目前科技探测不到。最主要的两个证据有:

根据物理学家建立的各种宇宙模型,我们能探测到的物质和能量不超过预测的4%,那么多未知的东西我们称之为暗物质暗能量,他们很可能存在于高维空间。根据四大基本力的统一理论,引力和电磁力的强弱相差10的16次方倍。如此巨大的差异很可能在更高维空间来弥补。

注:大爆炸后宇宙演化…能量密度分布或宇宙组成分为:普通物质,暗物质,和暗能量其比例约分比为:4%,24%,72%其约和为:1

TOP.3:什么是虫洞?【No.2】

《星际穿越》最热的关键词是“虫洞”。这个概念并不新鲜,《来自星星的你》的“都教授”就是通过虫洞建立的时空通道来到地球的,科幻片《星际迷航》也多次用到这个理论。虫洞又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1930年代由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。 由阿尔伯特·爱因斯坦提出该理论。简单地说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,所以也叫“灰道”。

举例来说:可以将一张纸条视作通常的空间,那么从位于纸条一端的一点到位于另一端的一点需要很长的距离,但是把纸条两端连接在一起,那么两点间的距离就很短了。虫洞的科幻意义巨大,但遗憾的是至今没有任何证据表明虫洞的存在。

推荐:《黑洞与时间弯曲》(《星际穿越》影片中黑洞原理的理论来源,影片指导基普·S·索恩最重要著作)

TOP.4:五维空间

在电影《星际穿越》中,连续探索了两个看似适合人类居住的星球之后,库珀把补给留给了队友,自己再次穿越虫洞尝试返回地球,结果他坠入了一个奇幻的空间:女儿书房里的书架背后。

五维空间模拟图/仅供参考


这个时间可以逆转,库珀看到了当年在这个房间自己跟女儿告别的情景,但他无法打破这个空间,也无法让其他人看见、听见自己。这就是一个五维空间,不同于我们所在的三维空间,五维空间里时间是如同一座山一样实质存在的,库珀需要告诉女儿如何解开五维空间的方程式,能通过五维空间传递的只有重力。于是他用灰尘的重力和手表的指针发送摩斯电码,把方程式的答案传给了长大后的女儿。

五维空间到底是怎么样的呢?我们可以运用类比来推断。在四维空间,三维物体是一切物质的组成基础,而时间则是整个四维空间活动的基本,没有时间,一切都是静止的,就和三维空间没有区别。那么在五维空间,四维物体可能就是一切物质的组成部分。可能组成五维物体最基本的元素就是一整个四维空间,在这个元素中包括我们所有已知的世界。四维空间是五维空间的子集。

推荐书籍:《宇宙的琴弦》

TOP.5:奇点

《星际穿越》影片中在飞船驶向黑洞边界时多次提到了“奇点”,

奇点是时空中的一点,在该处时空曲率或其他的物理量都变得无限大,它具有一系列奇异的性质,无限大的物质密度、无限大的压力、无限弯曲的时空等。

大多科学家认为它是宇宙产生之初,由爆炸而形成宇宙的那一点。它具有所有物质的势能,而这种势能正是由大爆炸而转化为宇宙物质的质量和能量,我们可以想象,奇点是一种没有固定形状的、没有体积的不可思议的存在。

TOP.6:时间膨胀

时间膨胀贯穿《星际穿越》整个剧情,电影中主角在进入太空后便遇到了时间膨胀,宇宙中主角们的时间和地球上的时间可以用“天上方一日,地上已千年”来形容,这样的时间错乱给电影增加了一丝悲凉和无奈的气氛。至于时间膨胀本身,则是一种物理现象。

从时间膨胀到时间收缩

在相对论中,空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如,向着我们以接近光速速度运动的一个时钟本身所标明的时间,比另一个与我们相对静止的时钟走得慢些。举个设想的例子说吧,假如有一个人一分钟的心跳是60下,当他高速运动时,如果速度足够大,他的心跳可能会变成40下,20下,甚至更慢.因为随速度的增加,他的时间变慢了。他自身的新陈代谢也随之变慢。这样,相对于他的时间就发生了膨胀。

有了时间膨胀效应,人们在以极高速运动的飞船上时,尽管外界已经经历了很长的岁月,自己却没什么老化,因为极大的速度会使飞船(和里面的所有物体)的时间减慢。也就是说,飞船的时钟走了一圈,地球上的时钟已经转了许多圈了。

推荐书籍:《时间、空间和万物》

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时间的可塑性

TOP.7:与女主人公名字相同的定律:墨菲定律

片中男主角的女儿名为墨菲,而她总在抱怨自己的名字与不吉利的墨菲定律的联系。墨菲定律由上世纪中叶一名美国空军工程师爱德华·墨菲提出,包含四条原则:

1.任何事都没有表面看起来那么简单;

2.所有的事都会比你预计的时间长;

3.会出错的事总会出错;

4.如果你担心某种情况发生,那么它就更有可能发生。

《星际穿越》的情节中多次体现了墨菲定律的正确性,但除了把事情搞砸,它也把任务引向好的方面,最后主角也在墨菲定律的作用下挽救了全人类的生途。从这个角度来理解,墨菲定律是一种对概率的诠释,本身并不指代吉凶祸福。

TOP.8:我们熟识的“相对论”

这部片子也用情节来解释了什么叫相对论、男主角库珀到达第一个星球,在上面待了几个小时,经历了一起平地而起的巨浪后,回到飞船,非常简短的过程,可等他回到飞船,当年的同伴已经白了胡子,说他已等了他们23年!地球上的女儿也已长大23岁。片尾库珀在太空被救,在太空站醒来时已124岁,但看起来仍像刚出征时的样子。

相对论,对网友来说认知度要高不少,是爱因斯坦提出来的,但估计大家也就只知道这么个提法。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。


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懂相对论之从弯曲空间的几何开始

TOP.9:引力弹弓

弹弓效应是物理名词、指的是小天体等借助大质量天体重力获得更大动能,这个概念被推广开来就是借助外界条件让自己获得加速度的意思。以宇宙飞船为例,就是借助星球引力使自身加速的原理。利用引力使自己的速度加快,引力越大,速度也就越快。

图/引力弹弓“助推”罗塞塔探测器“美梦成真”

现在很多的探测卫星都采用弹弓效应来借助星球引力使自己加速,尽可能地节省燃料,同时,引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。靠着这种方式,在星际间弹来弹去,最后到达目的地。(现代航天器也都借助地球、火星、木星、土星等行星引力加速)

TOP.10:如果真有高维空间,为什么我看不到?

打一个比方,假如你是一只小蚂蚁,生活在二维空间,现有一张纸条如图,卷成一个闭合的环(AD,BC重合),那么蚂蚁永远只能在一个表面上爬行,此为二维空间。但如果翻转半圈再卷成闭合的环(AC,BD重合),蚂蚁会爬到纸条的正面和反面,就不只是二维空间了。就蚂蚁而言,他认识的世界始终是一个平坦的表面,但由于外界的空间被人为弯曲了,他却感知不到。

以此类推,假设四维时空是一个“平坦”的大表面,人类就是小蚂蚁,光速是最大速度。以前从A到C要穿过整个纸条,而弯曲空间以后,AC重合了瞬间即可到达,那么我们的速度在四维空间下是可以大于光速的。因此,宇宙那么大,我们仍然有机会探测到它的尽头。虫洞的概念由此而生。


在二维条件下(平面纸条),两点之间的最短距离是连接两点的直线,如果我们打破维度的限制,将一个二维平面在一个额外的维度(第三维)下进行弯折,两点的距离就可以无限接近。这样连接两点的通道就是虫洞,在二维条件下是一个圆形。而在我们所处的三维世界中,要用这种方法来连接空间中的两点同样需要额外的维度(第四维)来实现,而在三维的世界中(我们以及电影所处的世界),虫洞则以球形存在,理论上可以从任何角度进入虫洞。作为虫洞外部的观察者,我们可以看到虫洞另一端扭曲之后的景象。

TOP.11:什么是穿越?

这是一个穿越的悖论。很多人有类似疑问,我穿越回过去,改变了过去,现在的世界就随之而改变,那么还能有现在的我吗?


其实,在高维空间理论提出以后,这个担忧早已迎刃而解。因为一旦你有时光机回到过去,其实你是到了另一个平行宇宙,那里的世界是一模一样的,你所做的改变只是新的开始。就像打游戏存档后,每次从你读档开始,就是一条新的人生轨迹,而之前你呆过的世界再也回不去了。世上确实没有后悔药,想回到过去改变现状从物理学来说简直就是痴人说梦。

TOP.12:虫洞真实存在吗?

虫洞目前为止还仅仅是爱因斯坦相对论的推测,从来没有被真实的观测到。宇宙物理学家认为虫洞在宇宙中无处不在,只不过非常不稳定和存在的时间很短,并可以通过一些方法来稳定虫洞来达到穿越时空的目的。

影片并没有脱离科学假设来人为的制造虫洞,而是在导演的安排下somehow就在土星周围出现了一个稳定的虫洞,这样的安排确实有发生的可能性并且符合目前的物理假设。

TOP.13:为什么Cooper乘坐的飞船要不停的旋转?

飞船之所以在离开地球大层之后需要旋转是为了制造重力,这样Cooper和他的队员们就可以像在地球上面那样正常的生活,可以正常的喝水小便而不会有液体飞溅,此外演员们在3个小时的影片中也不需要假装飘来飘去。当物体绕着圆心旋转的时候,宇航员所处的参考系具有一个离心力,这就等效于重力。在影片的末尾我们看到土星轨道的大型空间站站做成卷饼状也是同样的道理。

如果角速度固定,离心力与物体到圆心的距离成正比(F = m w^2 r),越是靠近圆心,离心力就越小(重力越小),所以打飞的棒球很容易就飞到“头上”的建筑打碎玻璃了。

TOP.14:Cooper航行的目的地是哪?离地球有多远?

Cooper的航行目的地是Gargantua,是一个电影虚构出来在银河系之外的一个黑洞,距离地球有100亿光年。一百亿光年有多远呢?众所周知,一光年就是光在真空中走一年时间的距离。1977年人类发射的旅行者号飞了三十多年才勉强飞到太阳系的边缘,而太阳系的直径也才0.003光年,而我们所在的银河系的直径也仅仅才10万光年。

现代物理学的假设是任何物体的飞行速度不可能超过真空光速,所以飞船依靠飞行在可能的时间范围内是不可能到达Gargantua的,这便需要利用虫洞(wormhole)穿越到宇宙的另一头。

TOP.15:为什么Miller行星上面会有巨浪?

Miller行星上的巨浪非常壮观,差点让Cooper有去无回,而这巨浪也仅仅是Miller表面的普通潮汐而已。

众所周知太阳和月球的引力可以制造潮汐,由于Miller行星靠近附近黑洞的引力场,再加上Miller行星表面的引力场较弱,形成巨浪也就不足为奇了。

TOP.16:返回后已经过去二十多年并且Romily已经老了?

Copper此行所到达的恒星系与我们的太阳系有很大的区别。太阳系是一个出于青年期的恒星系统,太阳作为太阳系的中心恒星,通过表面的聚变来为周围围绕太阳旋转的行星提供光和热。而Miller行星所在的恒星系统极有可能是一个晚期的恒星系统,质量巨大的恒星塌陷后形成了Gargantua黑洞,而在黑洞的周围有大量的高温气体和尘埃形成的吸积盘(accretion disk)来为恒星系提供能量。

这也是为什么影片中黑洞的表面有光盘。Gargantua的质量非常巨大(100万个太阳的质量),导致了Miller行星处于巨大的引力势中。根据相对论中的描述,引力势能可以改变时空扭曲率而导致时间流逝发生改变。在影片中,以地球或者Romily作为观测者的话,Miller行星的时光流逝变慢,所以才是地上一小时,天上数十年。这种由于引力场造成的时间膨胀,已经在现实中被实验证实存在。

TOP.17:真实的虫洞和黑洞看起来是什么样子的?

虫洞只是被理论预测存在而黑洞也仅仅是被间接证据观察到,但是若是宇宙中存在黑洞和虫洞的话,那也将和影片的特效极为接近。影片由著名的理论物理学家Kip Thorne担任执行制片人,影片中关于虫洞的特效都是依据理论方程计算得到。

即便这些特效出现在科幻电影中,Kip Thorne所描绘的黑洞和虫洞视觉效果可以作为严肃的科学数据与理论模拟。值得一提的是这些特效还产生了两篇科学研究论文,分别发表在宇宙学和计算机图形领域的期刊上。

TOP.18:Murph的鬼魂是怎么回事?

为什么Cooper在虫洞中可以观察到所有的历史事件?Cooper和Murph是怎样实现通讯的?

这是这个影片最难解释和最难理解的部分,首先需要说明的是在现代理论物理的时空观里,Cooper在虫洞中的行为是可能的。

先来回到我们的问题,这三个问题其实可以归结到虫洞中的五维时空的问题。我们现实生活所处的时空是四维时空,而由于我们观测的限制,我们只能感知三维空间和线性的时间维度。而五维时空则是四维空间加上非线性的时间维度,在影片中,诺兰将时间维度物理化,这样Cooper在五维时空中可以向翻书一样查看各个四维时空中的历史事件,理论上讲,Cooper所处的就是上帝视角,能知晓这个五维时空中所有信息的过去、现在和未来。

可以猜测的是这个虫洞和五维时空并非自然形成,而是未来人类为了拯救过去人类而专门为Cooper和Murph建造的。Cooper在五维时空中以引力波的形式向Murph所在的时空产生影响,从而造成了Murph所处时空的引力异常(gravity anormalty)。Murph之所以感觉有鬼魂在她房间是因为感应到了引力异常带来的结果(书架上的书及物品掉落, 带有坐标信息的细砂排列等)。

当时Cooper以为这只是偶然事件,而Murph从小就感觉到这个“鬼魂”非常特别。在影片的最后,Murph终于明白这是父亲通过时空隧道向她传递信息。

图文素材来源于网络

图文:来源于网络

编辑:博科园

刊发-微信公众号:天文物理

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