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《星际穿越》:观影归来科学扫盲问答
  • 1虫洞目前只存在于理论当中,但电影中的黑洞可称得上是史上最真实的黑洞。
  • 2掉进普通黑洞的过程中会被潮汐力撕碎,若是超大型黑洞,人有可能进入黑洞内部。
  • 3“弦理论”支持更多维度的存在,但电影中的“五维空间”更像是传说。
  • 4通过虫洞进行时间旅行理论上是可行的,“平行宇宙”也是一种严肃的科学理论。

 

《星际穿越》中的飞船在穿越虫洞

电影里面的“虫洞”、黑洞真是靠谱吗?

凤凰探索:虫洞目前只存在于理论当中,虫洞是在广义相对论中容许存在的一种特殊结构,它可以把时空中的两个点直接连接起来,不管这两点在空间距离上或时间间隔上相距多远。但人类目前还没有观测到任何虫洞存在的证据。该电影特意聘请了著名的理论物理学家基普·索恩作制片人,索恩是当今世界上研究引力波和相对论天体物理学的权威之一,电影里虫洞的形态是依据物理学理论来制作的,还是可信的。

黑洞的存在已经被证实,因此电影里黑洞模型的可信度是很高的,通过索恩给出的公式,由30个人组成的模型制作团队使用数千台计算机,耗时一年时间才制作出来,总共的数据容量高达800TB。这个黑洞也被称之为“史上最真实的黑洞”。

一个人若像库珀那样掉进黑洞会发生什么?

凤凰探索:这要分情况,我们知道,黑洞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。而对于一般的黑洞,人可能连掉进黑洞的机会都没有,根据万有引力定律,距离与引力的大小成反比,因此在接近黑洞时,人的头和脚所受到的引力会产生引力差,这就是“潮汐力”,其实平时我们也收到地球、月球潮汐力的影响,不过大小可以忽略不计,但在靠近黑洞时潮汐力会变得极大,会把人撕成碎片,最终人体被撕裂成亚原子粒子进入黑洞。

第二种情况,若是黑洞足够大(比如和太阳系一样大),那么作用在人身上的潮汐力就不会将人撕碎,在这种情况下,人还是有可能进入黑洞内部的。电影中的卡刚杜亚黑洞既是这种大型黑洞。至于人掉进黑洞之后会发生什么,由于事件视界之内的信息不会被传送到外界,因此我们无从得知。

但是对于事件之外的观察者来说,根据广义相对论,事件视界附近的时间急剧变慢,这个人落向视界的掉落过程本身会变慢至无限长,以掉落黑洞的这个人为参考系,他已经穿过了视界,但在外部人看来,他永远都“停留”在事件视界的边缘。也就说,以黑洞之外的人为参考系,这个人永远都没有进入黑洞内部。

什么是五维空间,它真的存在吗?

凤凰探索:我们熟知的是三个空间维度和一个常听说的时间维度。而空间维度只有三维。时间维度是独立在空间维度之外的物理维度。四维以上的,属于高维模型。高维模型,分数学与物理两个概念。

在数学上,多维有很多模型。理论上,维数可以很高,模型很多。但在物理上,维数是有限的。

我们所生活的三维空间,以时间为轴就构成了所谓的四维空间,在这个四维时间线上任何一点都有无限种发展趋势。这样从四维上的某一点分出无限多的时间线,构成了五维空间。五维生物看到的是第四维上发生的所有事情,看到了一个人的所有选择、以及这些所带来的所有结果。

以上这些是科幻后的概念,并没有切实理论支持,目前物理学中的热门理论——弦理论认为,我们的宇宙是十一维的,但除了现实生活中的三维,其他维度都蜷缩在了难以感知的极微观尺度。如同一根绳子,我们从远处看时,它是一根一维的线,离得近一些,能看到二维的绳“面”,如果离得足够近,我们就能看清绳子表面三维的细节,但距离太远就只能看见一条一维的线而已。同样的道理,因为我们生活在宏观世界,所以感知不到、也看不到三维之外的其他维度。

那么,什么是弦理论?弦理论是目前为止最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力以及相对论和量子理论统一起来的理论。这个理论认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子,质子,夸克一类的基本粒子都是由这种“能量线”所组成。中文的翻译上,一般是译作“弦”。这些“弦”的不同“振动”方式产生了各类粒子。

但完整的弦理论框架需要引入更多的维度(三维空间容纳不下弦理论),因此引入了更多的维度(十一维),就如同一个方程有11个解一样。在这这个理论中,引力是10维的,所以,电影中库珀利用引力来向女儿传递信息,是合乎该理论的。

弦理论目前根本无法在实验中被验证,因此,该理论尽管有众多物理学家的支持,但其是否是一种物理学范畴的理论,这一点仍存争议。所以,科幻作品中的五维生物、高维生命更像是传说……

Miller的星球上一小时等于宇宙空间的7年,有科学依据吗?

凤凰探索:这是基于广义相对论的引力时间延迟效应。其实速度只是扭曲时间的一种方法,重力则是另一种方法。爱因斯坦于1915年提出广义相对论,将重力场对时间与空间的影响包括在理论中。如将数字代入爱因斯坦的理论中,会发现地球本身的重力造成时钟每300年慢1微秒。如果可以神奇地将地球挤压到一半的大小(保留所有质量),地球表面的重力将变成2倍大,时间的扭曲也会变成2倍大。如继续挤压下去,当地球的半径变成0.9厘米时,时间将会“停止”。

所以,是黑洞极为强大的引力导致了其附近的时间和空间发生了扭曲。从这一点上,该剧情是有科学依据的,不过也有科学家指出,要想达到一小时等于七年的效果,这颗星球要足够接近黑洞才行,在此条件下,星球会被巨大的引力扯碎。

看完电影后,可能让人们最关心的就是影片里神通广大的“They”,“他们”到底是谁?

凤凰探索:电影里的主人公库珀说“They”就是他们自己,可以理解为另一个平行宇宙中的未来人类世界,人类的科技一直在发展,最终可以发展到更高维度,甚至能从黑洞中把人“捞”出来。于是更高维度的人类、也就是他们自己,为这个世界的人类准备了虫洞,甚至替他们选择好了星球。

那么,什么是平行宇宙?平行宇宙理论是一种假说,普通人会认为这只是人们臆想出来的伪科学理论,其实不然,这个理论早在1957年就被物理学家提出来以解决一些“薛定谔猫”、“祖父悖论”等困扰物理学界的难题。

依据广义相对论,通过超光速来穿越到过去的时间旅行方式不可行,但随着科技的进步,在一万年、十万年甚至更久远的未来,人类会不会通过其他的方式进行时间旅行?根据相对论,时空是可以被扭曲的,如果时空被扭曲的太厉害,就有可能回到过去。简单地说,就是指你驾驶一艘太空船钻进虫洞,再从另一端出来,就会抵达另一个时空。

如果这种时间旅行是可行的,又会有一些新的问题:比如穿越到过去杀死自己的祖父,那么自己究竟还存不存在?

平行宇宙理论为这些悖论提供了一个“合理”的解释,比如穿越到过去不过是进入到了另一个平行宇宙而已,杀死的祖父这一事件不会和你发生因果关系。星际穿越中的“他们”应该是平行宇宙中的未来人类。

不过这里仍然有一个问题:如果时间旅行真的可行,我们为什么没有见到来自未来的历史观光客?难道是我们正在经历的这段历史过于平淡吗?

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