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发现引力波的大功臣,曾经拍了一部科幻电影来预示它的存在
文 |  kylegun


科学家观测到引力波,验证了爱因斯坦100年前的假说,成了这两天最大的新闻。引力波究竟有多重要,已经有太多科普文章介绍,这里不赘。


其实早在科学家宣布这一重大发现之前,克里斯托弗·诺兰已经在他的科幻电影《星际穿越》中运用引力波作为手段,来跨越时空传递关键的信息。《星际穿越》的科学顾问和制片人Kip Thorne正是引力波研究的权威。


他的主要工作是探测引力波和预测引力波形,他发起成立了激光干涉引力波天文台(LIGO),而LIGO正是这次率先观测到引力波的机构。

 


科学家为直接探测到引力波的消息欢呼,右一是Kip Thorne


下面我帮大家来回顾一下《星际穿越》,并详细介绍它涉及的宇宙学知识。


包括引力波在内的宇宙学概念构成了这部影片情节能够成立的根基,但因为电影并不是严谨的科学论文,甚至也不是科普,所以不可能将所有科学设定巨细靡遗地阐述出来,留下了很多模糊的空间。


本文试图做两件事,一是给诺兰的这部电影打上一些补丁,把影片没有说完的话说出来,帮助读者和影迷理解诺兰眼中的那个宇宙;二是对影片所依赖的某些基本概念和假说提出我的质疑。


1
双星系统


这部电影为人类的宇宙迁移提供了三个居住地选择,离黑洞最近的一颗行星上有周而复始的巨大潮汐,第二近的行星上则天寒地冻,反而是最远的那颗较适宜居住。按照如此设定,只能想象此星系应该属于一个黑洞/恒星绕着转的双星系统。由于电影的主角是黑洞,所以恒星没有捞到出场的机会。

 


黑洞/恒星双星系统


2
黑洞里弹棉花


1973年,霍金等人证明出「黑洞无毛定理」:当黑洞形成后,只存在三个不能转化为电磁辐射的物理量:质量、角动量、电荷。其他关于黑洞的信息都像毛发一般被剔除蒸发了。所以,黑洞不可能向外发送任何电磁信息。但是,像黑洞这种大质量天体,在演化或者运动时,会干扰空间引力波的传播,如果仪器精度足够高,理论上可以观测到一定变化。


于是,库珀在黑洞里像弹棉花一样通过引力波传送信息,居然也有了一定科学依据。

 


弹棉花


问题是,他到底在向哪里传送信息呢?肯定不能是他之前所在的宇宙。因为他在掉入视界面的一瞬间,他之前所在的宇宙就已经完全消失,这又是为什么呢?


影片中提到,黑洞中心密度无限大的强引力会扭曲中心奇点附近的时空,在奇点周围形成一个称为视界面的东西。影片中没提到的是,视界面内的时空,与视界面外的时空,不可能存在任何因果联系。

 


影片中的黑洞视界面


看到库珀父女的年龄相同之后,观众应该已经被迫接受了一点广义相对论的时空观。简单说来,就是引力越大的地方,时间越慢。而在黑洞的视界面上,其引力大到足以「停止」了视界面外部世界的时间。也就是说,虽然观众的视线跟随着库珀,「嗖」一声穿过视界面,掉进花里胡哨的时空魔方里面弹棉花,但在被库珀放鸽子的美女布兰德博士看来,耍帅的库珀只会无限缓慢地接近视界面,却永远不可能穿过视界面。正如俗语所说:相对论是个婊子(Relativity is a bitch)。

 


Relativity is a bitch.


对此不好理解的话,我们可以来讲一个古希腊的悖论:


话说海洋女神忒提斯和英雄珀琉斯之子阿基里斯,天生飞毛腿,闲着无聊爱追乌龟。假设阿基里斯的速度是乌龟的十倍,乌龟在阿基里斯前面一千米处;当阿基里斯追上一千米后,乌龟向前跑了一百米;阿基里斯追上一百米后,乌龟又向前跑了十米;追上这十米,乌龟又上前了一米……也就是说,阿基里斯每追上一点,乌龟总会比他又向前一点。以此类推,阿基里斯将永远追不上乌龟。


 



当然,只要学过高中课本里的等比数列,任何一个高中生都能算出阿基里斯追过乌龟的具体位置。为了理解黑洞穿越的视界面悖论,我们只要把阿基里斯追乌龟悖论里的空间换成时间便可:阿基里斯和乌龟之间被分割成无限的距离,相当于布兰德博士在视界面外所经历的无限时间。


在这无限的距离中,阿基里斯无法追到乌龟,布兰德眼中的库珀无法穿过视界面。可对阿基里斯和库珀来说,超过乌龟和穿过视界面,只在无限外的那一处,和无限外的那一瞬。


所以,影片最后,如果库珀教授返回太空寻找布兰德教授,要替人类在新世界中繁衍后代。那他一定会在黑洞视界面附近,看见另一个正在经历着时间延迟的自己。


换句话说,库珀变相实现了时间旅行。


当然,就现实而言,以库珀这身装束,接近视界面时早已被引力撕扯得稀巴烂了,根本不用考虑什么视界面悖论。为了能让故事成立,只能假定,是「他们」在黑洞里安装了人类物理学现在所不能解释的装备,选择性地让库珀和小机器人存活了下来。


3
虫洞


虫洞对于现今的人类来说,完全只是一种理论假想。至今为止,没有任何观测证据能证明其存在。早期的虫洞假说,也称为「史瓦西虫洞」(Schwarzschild wormholes),其实来自于不带电和不自转的史瓦西黑洞理论——这种黑洞也就是影片中所谓的温柔黑洞。


简单说来,这种虫洞相当于一个黑洞加一个白洞,黑洞的奇点将一切吸入,白洞的奇点将一切喷出。这种单向的虫洞不像是两宇宙间的通道,而更像是两宇宙间演化的延续——黑洞奇点吸收的物质能量转化为白洞奇点所喷发的物质能量。后人将黑洞的自转加入考虑,黑洞和白洞的奇点则变为奇点环,但性质没变,一切物质在经过奇点环时依然会被粉碎为纯粹的能量。

 


史瓦西虫洞,黑色的弧为视界面,视界面左右两侧的宇宙,分别对应着白洞的喷发和黑洞的吸入


影片中的虫洞,则是索恩教授在1988年假想出来的双向虫洞,又称莫里斯-索恩虫洞(Morris-Thorne wormhole)。这种黑洞靠「奇异子」物质来支撑。所谓「奇异子」,即质量为负数的理论粒子,这类奇怪的粒子经常会出现在M理论等弦论数学模型中。和弦论中大多数假设一样,奇异子在现实中并没有被真实观测到,但若公式里引入它们的话,确实能解释许多现有理论难以自洽的问题。


有文章分析,这类虫洞很可能在宇宙早期由负质量的宇宙弦所打开。按照索恩自己的说法,现今宇宙缺乏奇异子物质,只有等到更高等的文明出现后,可以生产或收集足够多的奇异子了,一个稳定的莫里斯-索恩虫洞才有可能被制造出来。



德国蒂宾根大学实验室对莫里斯-索恩虫洞的模拟图,此虫洞连接德国蒂宾根大学物理系门前广场和法国北部的波洛格内沙丘,不过此模拟并没考虑光线的波长畸变

 


《星际穿越》中的莫里斯-索恩虫洞,同样没考虑光线的波长畸变


即便不涉及黑洞奇点,这类引力强大到能扭曲时空的通道,为何对影片中宇宙飞船基本毫无影响?参考上面库珀穿越黑洞的解释吧。



4
高维空间



按弦论的数学模型推算,宇宙至多存在十一维空间。在我们所能感知到的四维宇宙里,有许多被蜷缩起来的高维弦存在。这种蜷缩,举例说来,就像将二维的塑料,卷成一维无限细的吸管。

 


吸管


理论上,当这些弦相互作用时,或会引发类似伽马射线爆一般剧烈的天体现象。同样属于假想的虫洞,一般认为是四维宇宙经过高维折叠后的时空捷径。但更高维的世界究竟长啥样,唯一能肯定的是,必然会迥异于所有的四维想象。


可以做一个类比。让我们先忽略时间这一维度的影响。作为三维生物的我们,可以在二维平面上画一个圆圈,并在圆圈中画上五角星、四边形等其他图形。这时,二维生物在它的平面空间里,只能看到一条直线或曲线,而看不见封闭圆圈里面的其他内容。 


二维眼睛看到的圆圈


同理,我们三维生物,被皮肤这层曲面包裹了所有的内脏。如果一个四维生物看见了我们,理论上讲,应该能看透曲面,我们的内脏将在视觉上脱离于我们的皮肤而存在。刘慈欣《三体》系列的第三本《死神永生》里,有更为精妙的高维世界描述。也许,四维生物的审美可能会更倾向于毕加索的作品吧。

 


毕加索的《尸骸屋》


所以在我看来,影片中小女孩房间的时空魔方还是太平常了,远不如《2001太空漫游》最后一片梦魇般杂乱的蒙太奇惊艳。

 


《2001太空漫游》中的星门


当然,剧情需要黑洞内外进行能让观众清晰明白的弹棉花互动,这样安排也无可厚非。


至于维度问题,还有种有趣的看法:我们的四维宇宙会否只是更高维度世界的投影?爱因斯坦说过:「如果月亮有自己的意识,那它也许以为,自己绕地球运动是因为自由意志而不是因为万有引力。」那我们四维的自由意志,在更高维的世界看来,会不会仅仅是一种可预测的自然规律呢?这种现代物理所带来的奇异猜想,又让人回想起了柏拉图的洞穴论。

 


柏拉图的洞穴


5
「他们」


按影片中库珀的说法,制造黑洞和虫洞的「他们」,应该是未来高度文明的人类。「他们」超越了时间空间,专为两父女整了那么一出解救全人类的戏码。


为什么要找他们两父女呢?


在灾害刚发生的时候,未来的「他们」曾想和现在的人类沟通。不过,要传递「他们」的信息,似乎仅能通过黑洞装置的引力波实现。片中NASA科研人员说,地球曾发生了数次引力异常,其中一次还害得库珀坠机退休回家耕田。这其实是「他们」给现代人发的信息,无奈现代社会太愚昧了,没人能读懂。所以「他们」才精心布局,利用了这对有可能在黑洞内外沟通的高智商父女。


高智商父女


这种说法存在一些逻辑漏洞。


「他们」的引力波可以精确到控制机械零部件,改变拖拉机行驶方向。甚至像库珀弹棉花那样,能精确到影响表针的跳动。那么在理论上,「他们」完全可以想出一个更简单的方式去传递信息。


而且,难道真的只有引力波能穿越时空传递信息?库珀在结尾时分明已经实现时间旅行了。那「他们」完全可以从未来派一个专家来写方程啊。

还是说,在「他们」的历史里,事件正是如此发生的,所以,为了历史的自洽性,他们完全不考虑工作效率,仅仅是尽可能地去还原「历史」?


于是我只能倾向于另一种可能:「他们」并不是人类,只是一种喜欢看人类狗血家庭剧的超时空高等物种,闲得无聊的时候,丢出一个有选择性接收功能的黑洞虫洞,再随便抽样出两父女来做了个人类学实验。

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