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【涨姿势】孩子不爱数理化,让他“脑洞大开”的《星际穿越》

2014-11-27

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在《星际穿越》热播的这几天,看过影片的观众们直呼:“脑洞大开!”

让人们脑洞开的最大的,应该还是影片中关于物理的那部分知识。剧中到处充斥着“虫洞、黑洞、多维空间、时间膨胀、量子力学”这些高大上的物理学和天文学专业术语,让我们对物理学顿时“心生向往”。对那些理科生、学霸们的敬仰,犹如滔滔江水,延绵不绝。

如果你的孩子不喜欢数理化,那就让他去看“脑洞大开”的《星际穿越》。

1.你以为黑洞真是洞?

《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。

看过《星际穿越》,小编印象颇深的一句话是:“你以为黑洞真是洞。”

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。

推荐书籍:《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)

2.“什么是虫洞?”

《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。

推荐书籍:《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)


3.五维空间

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。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》

4.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。

5.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。

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》

6.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。(小编总算知道女主人公为什么这么反感这个名字了)

《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。

7.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。

8.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。

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。

看着小编给大家整理的图文并茂的物理知识,有没有想再去电影院看一遍的冲动捏?也许正能让你醍醐灌顶,开启成为科学家之路。

(中国教育报新媒体实习编辑 梁艳泽根据新东方官方社区论坛,中国新闻网-华晨商报综合整理)




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