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《环球科学》专访基普·索恩:《星际穿越》让相对论焕发新活力

2017-10-03

2017 年 10 月 3 日,美国物理学家基普·索恩(Kip Thorne)与雷纳·韦斯、巴里·巴里什,因构思和设计激光干涉仪引力波天文台 LIGO,对直接探测引力波做出杰出贡献,荣获2017年诺贝尔物理学奖。基普·索恩为人所知的另一个原因,是他作为科学顾问,参与了科幻电影《星际穿越》的制作。2015年,《环球科学》记者就以此为契机,对索恩进行了一场专访。


多年前的一个秋天,基普·索恩(Kip Thorne)和琳达·奥布斯特(Lynda Obst)一边在晚宴上享受美食,一边谈论让人好奇的物理学前沿问题。


此时,在好莱坞担任制片人的奥布斯特兴奋地跟索恩谈论着自己的想法,希望索恩能帮她实现这个听起来就十分具有挑战性的构想:她想做一部与物理学前沿问题紧密相联的电影。索恩想了想,提出了两个条件,他觉得只有满足这两条,自己才能全力以赴地投入其中。首先,影片中的情节不能违背已成定论的物理定律,也不能违背我们对宇宙的现有认识;其次,对尚不明确的定律或是对宇宙的猜想,要源自真正的科学,用到的猜想也一定要受到科学家们的认可。


奥布斯特欣然地接受了这个要求,并放心地把科学相关的部分交给索恩。索恩对爱因斯坦提出的一系列理论驾轻就熟,他知道怎么样去展现物理学最能吸引人的一面。当接受这份任务时,他发现,不仅需要找到合适的物理现象和物理模型为剧情服务,还要想办法真实客观地展现一些科学家都还没见过实体的物理推论。而且,作为一部大众娱乐电影,他还得想办法让大家都能看懂这些视觉刺激在说些什么。


20世纪初,爱因斯坦也面临过类似的问题。他需要在学术圈内争取到重量级科学家的认同,但是由于理论太具颠覆性,大多数人不太清楚他在讲什么;还有一些人甚至认为爱因斯坦是疯子,居然想把绝对的时间和绝对的空间联合在一起,用一种会发生变化的、相对的“时空”来解释我们的物理世界。


当时,爱因斯坦唯一缺少的,是在现实世界中找到能证明自己理论的观测证据。好在爱丁顿及时出现,他通过在日全食时观测太阳对光线产生的偏转作用,证实了太阳的质量的确造成时空弯曲,使光线发生了偏转,而且偏转的幅度和爱因斯坦的理论预言值几乎一模一样。


爱丁顿在观察的同时拍下了一系列照片,于是,爱因斯坦用这些照片直观地证明了自己的理论。近百年后,视觉艺术之花持续繁荣和发展,当初最时髦的板式摄影法已经被电子感光原件取代,曾经单独成张的照片也加上了音效成了电影。爱因斯坦自己或许并不知道,他那些艰深晦涩的理论正在当下以另一种方式在荧幕上释放出新的生机。


3年前,索恩和奥布斯特在2005年时就开始构想的电影以《星际穿越》的名称出现在了银幕上,近十年的波折和起伏使他们锤炼出了一部丰碑式的科幻电影。在广义相对论问世100年周年之时,我们对话这位跨界的著名物理学家,聊一聊科幻和物理。



索恩(左)正在和诺兰(右)在片场讨论剧本。


《环球科学》: 《星际穿越》公映时,引发了全球范围的讨论热潮,此后的一年中,又有许多优秀的科幻电影上映,和这些电影相比,你对《星际穿越》是否依旧满意?


索恩:我认为《星际穿越》是科幻电影史上最伟大的作品之一,也是为数不多的真正讲科学的电影。在执导时,克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)就表达了他对这部电影的喜爱,现在他也以这部电影为骄傲,嗯,是非常骄傲。在这部电影漫长的筹备过程中,我也付出了自己的心血,对此,我感到非常骄傲。


《环球科学》:电影中呈现了大量超乎人们想象的物理现象,在这其中,有没有你最喜欢的场景?


索恩:当库珀(男主角)穿过卡冈都亚的视界面进入黑洞时,他背对着黑洞向上看,有那么一个短暂的瞬间,他看见整个宇宙的星光都被压缩变小,束缚在一个圆形的圈里,圈的周围是卡冈都亚的吸积盘,吸积盘以外只剩下无限的漆黑。你能想象吗,这就是当你进入一个黑洞,尝试向外看时,真正能看到的场景。这让我自己都屏住了呼吸。


《环球科学》:是因为库珀能够活着看到这一切?


索恩:两方面的原因吧。当初萨根想在《超时空接触》中让主角穿过黑洞抵达织女星,我对他说这可不行,黑洞中的奇点会撕碎她的,还不如让她从虫洞过去。那时,物理学家认为所有黑洞中都寄宿着混乱且带有破坏性的奇点,所有进入黑洞的东西都会被它拉伸挤压直至摧毁。但现在看来,我们错了,几十年后,科学家发现,除了之前提到的那种残暴的奇点,还有两种新的奇点也能存在于黑洞中,其中一种就是温和奇点。显然库珀掉进了这种寄宿着温和奇点的黑洞。还有,当时库珀还能收到外界传到黑洞中的信息,但他已经无法发送任何信息给布兰德(女主角)。因为根据目前的理论,除了霍金辐射以外,黑洞中其他任何东西都逃不出去。库珀在黑洞中所看到的,所经历的,都是根据最前沿的理论计算得出,他当时能看到的场景也是在严格建模之后,由特效公司精细加工而成的。


《环球科学》:在很多科幻电影中,虫洞都是推进剧情的重要工具。我记得“虫洞”这个名字是你的导师约翰·惠勒 (John Wheeler)提出的。你在电影中构建的虫洞,和当初科学家研究的虫洞有什么异同?


索恩:在爱因斯坦刚刚发表广义相对论一年后,路德维希·福拉姆(Ludwig Flamm)就发现广义相对论的一个解可以描述虫洞,不过当时虫洞还不叫虫洞。1935年时,纳森·罗森(Nathan Rosen)和爱因斯坦也对这种特殊的时空结构发表了自己的见解。后来,惠勒教授在研究这种现象的时候给了它“虫洞”这个朗朗上口的名字。直到1962年,惠勒教授和他的学生罗伯特·富勒(Robert Fuller)共同发现,在试图穿越它之前,虫洞就会坍塌掉。不过现在我们知道,在理论上通过负能量可以让虫洞保持打开状态。但是,我们仍然不知道,在自然环境下虫洞是否真的可以一直打开。


这部电影中,我们利用爱因斯坦的方程,计算了来自恒星和星云的光穿过或绕过虫洞时的传播路径,得到了电影中展示的虫洞形象。为了让它在IMAX的屏幕上显示出更多细节,我们首先在计算机软件上以低分辨率测试方程式,等到一切都符合我们的要求后,再把方程式和相关结果发给特效团队,让他们用高性能的计算机输出IMAX所需的超高品质图像。这可是好莱坞电影有史以来的第一次尝试,我们试图展示出虫洞和黑洞最真实的面貌。


在我讨论《星际穿越》背后的科学的那本书中也详细说到过这个问题。今年这本书的中文版也发行了(与电影同名)。


《环球科学》:你一直在强调电影中的很多场景和画面都是经过科学推导和计算得出的。这其中大部分模型都植根于爱因斯坦当初提出的理论,可以说爱因斯坦和他的理论在现代科幻电影中扮演了相当重要的角色?


索恩:不得不说,这是个有趣的问题。但是在我看来,可以从另一角度理解这个问题。对《星际穿越》来说,它最重要的价值之一,就是让数以千万的观众领略到爱因斯坦的物理定律的神奇之处,让更多的人对爱因斯坦的相对论感兴趣。


《环球科学》:那之后你还会再拍类似的科幻电影吗?


索恩:我们正在筹备一部新的科幻电影,这部电影会和斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)合作,也会和我的老朋友,好莱坞的制片人奥布斯特再次合作。暂时就这么多吧,因为还在早期阶段,除了能告诉你这部电影会像《星际穿越》一样重视真正的科学以外,不能透露更多了。


《环球科学》:对你来说,爱因斯坦和他的理论意味着什么?


索恩:在爱因斯坦的相对论建立起来的头100年中,我们逐渐认识到弯曲的时间和空间会表现出哪些特质。在接下来的一段时间中,我们希望通过观测引力波来检验这段时间中科学家取得的认识。


一般情况下,两个黑洞发生碰撞时,会在由时间和空间交织而成的时空结构中制造出波动,这种波动就像海洋中的风暴一样。研究引力波会让我们进一步了解这种波动潜藏的信息。我们可以用观测结果和计算机模拟结果做对比,从而检测之前取得的认识是否符合观测。这将开启人类研究弯曲时空全新的一页。


还有,在接下来的几十年中,科学家依然需要纠结于如何将相对论和量子理论统一起来,构建出量子引力理论。一旦掌握这样的物理定律,我们就能揭示宇宙是如何起源的、黑洞中的奇点有什么样的物理性质、我们是否能穿越时间回到过去。


在我看来,随着理论不断发展,爱因斯坦的相对论会焕发出更让人兴奋的光彩,在未来,它能带给世人的,将比《星际穿越》中的精彩画面更具冲击力。


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来自:万语千言525  > 光影万语
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