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星际穿越 ▏酷炫烧脑的五维空间是怎么来的?

 


——所长真心话——

Tango

本周你难熬么?朋友圈满屏刷《星际穿越》,还不看,贱人们的剧透分分钟淹死你啊。对了,今天推送的内容也是有剧透的(我不是贱人,所以提醒还没看的同学先收藏),看完电影再来看物理达人深入浅出循序渐进的分析,就好似饭后一支烟,回味无穷……值得一提的是,这篇分析并非仅对几个片中出现的物理学名词作解释,而是真正解释了五维,至少,能具象地展示五维的奥妙,这也是在我们SIFF的影迷群中掀起大讨论的重点,即如何理解更高维度,我还听说了一种有趣的观点,即人类的思维活动是高维度向三维的投射(是不是不明觉厉啊)。好像只有想到这些,才会感觉到自己也是银河系中有高等智慧的生命体啊,不是混吃等死天天自拍发心灵鸡汤的草履虫同党啊。

人呢,应该先有宇宙观,否则谈何世界观,人生观?优秀的科幻作品,逻辑性、想象力以及哲学性三者缺一不可,而诺兰的《星际穿越》,令我们的焦点目光再次投向了宇宙,这些讨论,比穿什么衣服买什么打折货更有价值,有些人认为以作为终极主题使电影显得不够高冷而落了下乘,但是你怎么知道,不是人类作为智慧生命体唯一可以自夸自豪的事情呢?

多谢好基友昕姐推荐了这篇新鲜出炉的稿子,作者是非著名媒体观察员,专注吐槽二十年,业余脑洞挖掘者,引以为傲的是高考物理140分,评判有没有喝醉的标准是,还能不能做奥数题,半岁小女娃可儿的爹。理科男仗义登场,我号智商又上新高度,所以,大伙儿没事多烧烧脑吧,大脑长期不用会萎缩的。



五维空间怎么来的?

可儿的斯基

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首先讲几点共识,没有此共识的同学可以不用继续往下看了:


不可否认,《星际穿越》是科幻界中的大牛,其牛的原因并不在于创造了让人炫目或震撼的外星科技,相信小兰兰要创造这些怪物也不过是分分钟的事,而这种充斥着怪物的科幻片考验的是想象力而非智慧(请星球大战迷、星际迷航迷轻拍),而《星际穿越》有着像相对论一样对人生、对时间、对空间、对宇宙有着更为深刻的认识,这种深刻在之前的科幻片中基本没有。

正是由于这种哲学般的认识,除了一部分星空的特效外,整个电影并没有像其他美式大片一样的感官刺激,反倒是像地心引力一样有着宇宙和太空的那种宁静和窒息。

无论何时、无论何地,人和人之间是最值得依赖和信赖的群体,“爱可以穿越一切”不是愿望、不是期许、更不是伤感抑或抒情,而是真实存在,影片中有很多地方和细节都说明了这个观点。

本片需要一定门槛的物理学知识,但也未必这个门槛像山那么高,基本上有了中学物理基础的同学都是可以应对的;BUT,很多同学看的觉得绝望的根本原因在于思维方式,你理解了小兰兰的思维方式,你就可以轻松应对这部传说中高级别的烧脑片。坦白说,《星际穿越》的烧脑能力远不及《盗梦空间》,这一点与很多同学都有着明显的不同。

好吧,any way,言归正传,我们来解决《星际穿越》中的几个基本思维方式问题,解决了这个,妈妈就再也不用担心我看不懂电影了,而众多觉得自己很懂的男士们可能就悲催了,因为你们丧失了一次在电影院神吹海侃,让旁边的小女生敬仰膜拜的机会了。

坦白来讲,《星际穿越》的故事结构极其简单,就是地球将要灭亡,一支支小分队派出去寻找新的家园,结果发现再没有如地球般美好的世界存在,而最终智慧的人类自己创造了新家园的传统好莱坞大片模式。而他们去过的水球、冰球和沙球三个目的地也毫无新意,这种星球在茫茫宇宙中到处都是。

而《星际穿越》让大家着迷的是其创造了一个完全不同的宇宙结构,在剧中,大家叫它五维空间。而正是由于五维空间这种宇宙结构的存在,才发生了如此多交织在一起的故事。因此,理解《星际穿越》只用明白两个概念——时间和引力。

核心的问题是时间


《星际穿越》中最让人迷惑和难以理解的问题是时间。这个问题的根本原因是我们一直处于一个时间速率保持恒定的四维空间里,对,是四维空间,我们生活的空间就是四维空间,三维解决了方位,时间是第四维,而我们总要用这四维描述事物的状态。比如:我于今天上午十点在紫峰大厦60层。这里紫峰大厦的地理位置决定了我的经度纬度这两维,60层决定了高度这一维,上午十点决定了时间这一维。这四个缺一不可,这个比较好理解,就不多说了。

下面是困难的地方,我们能够想象一下如果你经历的时间速度和你的女朋友经历的速度不一样是什么感觉?是的,悲了个催的,我都要挂了,她还貌美年轻,不妙不妙。可是,这个想象起来好像有些难,怎么可能我在一年一年变老,而她却毫无变化呢?这里不是她青春永驻,而是她的人生怎么没有经历这个时间。

这个就牵扯到相对论的终极奥义,时间弯曲。

传统意义上,我们认为的时间是一条不能回头的直线,所有的人、所有的事、所有的物都在这条直线上流逝,大家一起长大一起变老,从图形上来看,应该是这个样子的。

从这张图可以看到,当时间是平行直线的情况下,无论是A还是B还是C还是D,其经历的时间长度都一样,这是我们所了解和认知的宇宙世界。

但是大神爱因斯坦不一样,他很牛的提出了相对论,相对论的核心观点是空间是可以扭曲的,时间也是可以扭曲的。

空间扭曲理解起来比较简单,就是有一个大力神爱因斯坦把你公司和你家这两个距离十公里的地方就这两头,“吧”的一声贴一起了,于是乎你才出家门,就进公司,真正做到“离家近”,至于是不是“事少钱多”还是“事多钱少”,爱因斯坦不负责解决这个问题。

时间扭曲理解起来有一点难,但把上面那张图改变一下形式,大家就完全理解了。



当我们的宇宙中,存在着四个不同的时空,这四个时空都在围绕着最核心的那个黑洞转动。这里的转动并不带来位置的改变,因为位置的改变是相对于位置的坐标系和参照系的,时空的转动是发生改变的是“时间元”。在转动的过程中,“时间元”的变化是相同的,但由于每个“时间元”的长度不同,带来的时间变化也不同。这就相当于你再箱子里装五个足球、五个排球和五个乒乓球,都是五个,占据空间不同是一个道理。

那么,ABCD这是个单位时间元长度不同的空间是怎么存在的呢?对了,是因为引力。引力相同的地方,时间元的长度是相通的,引力越大的地方,意味着越靠近黑洞中心,时间元越短,也就是D;引力越小的地方,时间元越长,也就是A;所以存在了他们开飞船去了水球,啥也没搞,弄死个人,上面那位黑人兄弟过了23年的原因。

好了,借着这张图我们可以解决《星际穿越》里给你带来的大部分问题:

1)为什么大家度过时间的过程不同?


假设在水球上,库珀和布兰德捡破烂的时候是D,外太空的黑人小哥是A(为什么这时候地球上也是A,没交代清楚,anyway,就当他是A吧),经过相同的时间元,捡破烂小组度过了数个小时,就是D那个环的一小段,而小黑哥和地球人经历了23年,就是A那一大段。OK,大家这么一看就完全明白了了吧。对的,时间元的长度不同。

2)为什么库珀可以影响和告知墨菲?


我们还是看那张同心圆的图,库珀进入奇点之后,看见了各个时期的墨菲的样子和情况,为什么?(怎么看得到这件事属于小兰兰个人创作,没交代,我也不能解决这个技术问题)回到那张弯曲时间饼图,假设每个环都是透明的玻璃墙,小兰兰认为是可以打出缝隙的百叶窗。那么在内圈的人能够以一个扇形的方式看见外圈在相同时间元内发生的变化。而当你处于宇宙奇点O的时候,你可以看见整个环发生的变化,也就是说你可以看见你想看见的任何时间,所以库珀可以在所有时间告诉墨菲他想传达的信息。

3)为什么库珀会得救?


库珀出发前从他是两个孩子的父亲这点来看,年龄应该设定在40左右,在宇宙航行的过程中,错过了多少呢?差不多就算25年吧,可是他被救的时候,地球人告诉他你已经一百多岁了。也就是说,当库珀进入到宇宙黑洞的核心的时候,在那个核心里告诉墨菲密码之后,墨菲花了差不多60年的时间建造了墨菲环,发展了太空科技,救了库珀。而这个过程中处于宇宙奇点的库珀所经历的时间几乎可以不计。(不明白的同学,继续回去看同心圆的图。)所以,那个医生小哥,对世界的理解还是不够,处于宇宙奇点的库珀就算是人类再晚几十年去救他,那几分钟的宇航服里的氧气都撑得住,因为他在时间饼的中心,他在那“度分如年”。

4)库珀反复提到的“不是他们是我们”是神马意思?


这里牵涉到本剧的核心思想,时间跳跃。人类怎么拯救自己?用未来的科技解决现在的问题,问题是怎么解决,你不能改变现实世界,只能在有限可能下传递信息。机器人在奇点告诉库珀无法以任何形式传递数据的原因是什么?是因为奇点没有时间维度,而你传送的信息必须是在时间维度上对应的其他空间,所以无法传递信息。那么未来的高智慧人类是怎么传递爱的呢?看一下下面的时间跳跃的图:



对了,是某一只香火得以延续的未来高智慧人类决定救祖先,就利用时间饼的原理投放了一个虫洞或者是奇点,快灭亡的人类发现了这个奇点,于是决定去寻找未来。找来找去没找到,还浪费了几十年,最后在误打误撞中,库珀进入了奇点(后代们会欣慰吧,终于有蠢蠢笨笨的祖先知道奇点的终极奥义了。)传递了密码,而后代们看到祖先完成了任务,就关闭了这个奇点,而库珀就等着被救,再去救妹子。所以,所谓的爱可以穿越时间,就是人类后代对祖先们的爱让他们设置了奇点,这也是库珀一直说不是他们是我们,是人类投放了这个奇点而不是外星生物的原因。

5)库珀到底能不能救得了小美妞布兰德?


这个取决于布兰德去的那个星球是在A还是在D,如果在A(从结尾来看好像是这样),那恭喜库珀,第二春即将到来;如果是D那只能是去送上一束花了,毕竟,她男友已经挂了,指着自己给自己做人工授精手术,是不是难了点?不过这也不是完全不可能哦。好吧,指不定哪里比A还要靠外,就是这个人工授精的优秀基因在后面的若干年里开发出牛逼科技,帮N年前的人类放了个虫洞和五维空间。

“解决生存困难的瓶颈是引力

好了,讲清楚时间的问题,讲讲人类生存的问题。

当地球环境恶化的时候,老布兰德希望的是能够将人类发射出去,穷其一生,发现既找不到合适的地方给人类安居,也找不到把那么多人和东西送到那么远去的办法,抱憾终身。关键在于,老布兰德的思维一直在沿着一个方向走,即引力是由巨大球体产生的,如果让人能够安定在其他地方生活,就需要找到或制造质量、体积差不多的球,这才能够解决万有引力的问题。

亲们,复习一下万有引力的公式吧:F=GmM/r2


是的,老布兰德终生都在研究怎么获得一个M的星球以保证外有引力,可惜未能实现。而获得密码的墨菲则得到了完全不同的灵感启发,这个灵感是库珀离开小美妞的时候想到的,是的,牛顿第三定律,作用力与反作用力定律。

因此,所谓墨菲环的工作方式是这样的:


即在一个利用周边星球可以形成稳定引力平衡的一个中间点,制造一个坚固的环,把世界建造在这个环里,由于平衡的万有引力的原因,人们就都可以在这个环里垂直向上的生活。这里就可以看出逆向思维和思维创新是多么的重要。

所以,剧里有一个很多人可能没有注意到的小细节,就是从医院的窗外看见一群孩子在打棒球,其中一个孩子打出的球将环的另一边的玻璃打破,大家一阵欢呼。其实孩子们并不是因为打破了窗户恶作剧的欢呼,这一球需要突破自己所在的半环的所有阻力,到达临界点然后在另外半环的重力加速度吸引下下落打破窗户,大家欢呼的是这一球打出去的力道。


PS——最后吐个槽:科学家们有时候也很白痴和不靠谱。

本剧除了想象力部分,我觉得最不靠谱的就是他们花了23年去水球上捡了一个垃圾,无论是第一个送死的哥们还是第二次去的小分队都忽略了一个最基本常识。所谓常识是这个星球是一个水球,而且有着超级巨大的潮汐。了解基本天文学常识的人都知道,潮汐是怎么产生的?是因为卫星,还是万有引力。能够引起这么大且这么快速潮汐的原因就是这个星球有一个快速环绕的质量大的卫星,或者说这个星球本身就是以一种双星或伴星的形态存在。那么在太空中是很容易观察到这个星球的属性并能够得出这种星球处于万有引力极不稳定的状态,是不适合人生存的,完全可以不用去。这属于明知死路还送死的行为,科学家们有时候也会忽略这最基本的常识吧。


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