星際穿越疑難全解析 什麼是枯萎病、蟲洞、黑洞？

看完IMAX版的《星際穿越》已經好久了，小編的亢奮勁還沒有過去。各種問題不時地冒出來，恨不得抓住一個人就想討論電影中的情節。本期爲大家帶來理工男如何看《星際穿越》，滿滿都是乾貨，相信會解答你心中的一些疑惑。

　導語：

作爲多年的理科癌患者，我的確很喜歡諾蘭的電影，但又受不了對他的無限拔高，比如對《盜夢空間》的過度解讀。由於諾蘭《蝙蝠俠：黑暗騎士》的超水平發揮，導致了我對《蝙蝠俠：黑暗騎士崛起》過於期待，看後失望之餘覺得諾蘭也不過如此。不過，我的懷疑在看完《星際穿越》之後徹底煙消雲散了，諾蘭的確是目前最具大師氣質的導演，《星際穿越》也是目前所有電影里科學和藝術的最完美結合。只可惜“臥梅又聞花”，寫一個完整的影評實在力所不逮，我還是多聊一聊片中涉及到的科學知識吧。

　1、枯萎病有可能產生嗎?無人飛機、拖拉機的導航故障是什麼原因?

首先，《星際穿越》的背景很費了該片的科學顧問基普·索恩(美國物理學家，當今世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一)一番心思。作爲物理學家，索恩自然不是生物學/環境專家，爲了保證“植被大量枯萎”這一假設有科學依據，他準備了美食請來加州理工學院的一大波相關教授，其中包括1975年諾貝爾醫學及生理學獎獲得者戴維·巴爾的摩(David Baltimore)，組織了一次兩個多小時的討論會。

專家們表示，雖然目前地球上不存在這種可以滅絕整個植物界的枯萎病，但是假如有某種病原體專門欺負葉綠體的話，那還是可能的。總而言之，這種枯萎病造成大量糧食減產和地表荒漠化，也就帶來了片中地球上無處不在的沙塵暴。

另一個重要線索，也是令人類勇敢踏上外星之旅的，就是NASA觀測到的引力異常。這種引力異常使布蘭德教授相信引力是可以被操縱的。只要他能從理論上解決這個問題，人類最終可以通過操縱引力大規模離開地球，去新的宜居星球定居。

《星際穿越》劇照：枯萎病爆發的地球，只能種玉米

值得一提的是，影片中出現的導航故障(軍方無人機，庫珀家的無人收割機)並不一定是磁場紊亂的結果，倒更像是引力異常的直接效應：GPS衛星爲了保證精度在計算導航數據時必須考慮地球引力對時空的影響，如果引力異常，原先的算法自然無法保證導航的正常工作了。

　　2、諾蘭團隊拍《星際穿越》的副產品：順手發學術論文

基普·索恩是當代廣義相對論和黑洞物理的頂級大師，在此向大家強烈推薦他的名著《黑洞與時間彎曲》。索恩對本片的劇本創作貢獻很大，他還拉着諾蘭的弟弟喬納森去加州理工學院學習了廣義相對論，諾蘭本人則去了SpaceX，即太空技術探索公司感受了造火箭的氣氛。(SpaceX：該公司曾放出豪言，2100年要主宰太陽系)

基普·索恩

值得一提的，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授親自寫的，他還爲片中布蘭德教授的理論創造了幾個有物理含義的變量。這樣的創作實踐，不僅僅在電影界，在科學界也是前所未有的。《星際穿越》上映前後，“諾蘭的Group”會至少發兩篇論文，一篇黑洞物理，一篇計算機圖形。論文如何我們暫且不管，先聊聊《星際穿越》的重頭戲，蟲洞和黑洞。

　3、爲何主角們在蟲洞裏只能接收信息，從未向地球發送信息?

這是刻意的情節安排，往回發送信息的速率低。

那個在土星附近，連接太陽系和外星系的蟲洞，無疑是本片最大的亮點。

蟲洞作爲愛因斯坦的廣義相對論框架下時空的一個可能解，早在上個世紀初就被從理論上給出過。只是當時沒人在意，直到1930年代被愛因斯坦和羅森再次“發現”(他們也不知道之前就有人解出來過)。這種可以在三維空間裏製造“時空跳躍”的結構，被稱爲“愛因斯坦-羅森橋”。但是根據廣義相對論，如果沒有特殊手段維持蟲洞，蟲洞的壽命幾乎是0——剛剛形成的超時空連接會在瞬間斷開，這個瞬間短到哪怕光也來不及穿越。

在《星際穿越》中提到，這個蟲洞是”They”放置在那裏的，按照基普·索恩的解釋，這種超級文明可能是通過高維空間打開了這個通道，無論如何，這種保持開放的蟲洞具有和黑洞不同的性質：它不存在所謂奇點，也不需要多少質量，也沒有類似黑洞的“視界”：它的大小取決於通道本身的寬度，當然由於通道周圍也會有一點時空彎曲，依然能看到類似黑洞的引力透鏡效果。蟲洞看起來啥樣主要取決於它另一端在哪兒，就像一個遠程魚眼鏡頭。把圖像呈現在它的球形表面通道的“長度”越長，我們看到的圖像就越扭曲，所以電影裏的是一個通道較短的“短脖子”蟲洞。

蟲洞

蟲洞能夠穿越時間的示意圖

影片中的蟲洞雖然是雙向的，但是主角們穿越之後似乎從未向地球發送信息，而是隻能接收。和系裏的美國同學討論之後，我們認爲這是導演爲了情節的刻意安排，而影片裏的解釋是往回發送信息的速率非常之低，比撥號上網還要低好多倍……

　4、電影裏對黑洞的表現如何?

近乎完美，超越了目前最卓越的科研成果。

《星際穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那個如同王冠般耀眼的環形結構是大家最關注的。這是黑洞周圍的物質在引力作用下落入黑洞的同時釋放引力勢能而產生的明亮結構——吸積盤，具體的釋放機制主要是粘滯加熱(viscous heating)。大家知道，如果這個盤是個整體的話(不同半徑角速度相同)，那麼越到內側盤的線速度應當越來越大，但實際上在引力作用下，盤中的物質做着類似衛星繞地球的運動：軌道越低(內側)，線速度反而越大，這種情形叫較差自轉。於是盤中不同半徑的物質是在相互“滑動”的，這種互相摩擦就可以釋放相當可觀的能量。至於爲何是個盤，因爲初始角動量的存在，這些物質在剛開始就有一個大致相同的角動量方向(想想太陽系爲何也差不多在一個平面上，類似的道理)，所以落入黑洞時的軌道也基本在一個面上。

於是，大多數時候，我們看到的黑洞是如下圖這樣的。

當然，我們還知道黑洞本身不發光，引力會彎曲空間，於是我們看到的黑洞還是這樣的：

這是幾天前的APOD(NASA發的天文每日一圖)，計算了黑洞對後部星系圖像的彎曲。

但是如果我們走的夠近，黑洞也能彎曲背面的吸積盤的光線，最終會看到什麼樣的圖像呢?

這種事情搞天文的也關心，雖然我們沒法從觀測上直接分辨吸積盤的內部細節，但是這個會影響觀測到的光譜(也就是能量分佈)，這種事情，搞模擬的也不是沒算過，但是他們的結果，差不多是這樣的：

這裏顏色代表光譜/能量的頻率移動，藍色代表頻率變高，紅色代表變低，同時考慮了引力紅移(光子逃離引力束縛會消耗能量，於是變紅)和多普勒紅移(嚴格來說是包含了狹義相對論效應的多普勒紅移)。圖上的這個盤是逆時針旋轉的，所以它的左側朝向我們移動，光子能量變高，會顯得更藍一些。

這個圖像如果太Q的話，好一些的會是這樣的：

右下角的圖形代表能觀測到的能譜，由於相對論聚束效應(朝向觀察者運動的光源不僅會變藍，也會更亮，因爲觀察者在單位時間內會接收到更多的光子，反之則會變紅變暗)的存在，能量會向高能區集中。

也許你注意到了，電影裏似乎沒有出現多普勒頻移的效果(也就是一邊紅點一邊藍點)，不過我倒是找到一張《星際穿越》特效團隊的設定圖。

注意這些不同的色塊，代表了這些區域可觀測的溫度/能量，紅色代表最大紅移，接近內側的黃色主要是引力紅移導致的。所以吸積盤從視覺上看應該是左側(朝向我們運動)亮而且發藍，右側暗而且發紅。

《星際穿越》的特效部門刻意捨棄了這些效應而讓觀衆更易於理解，不過我覺得如果肉眼直接觀測的話，由於這些區域的能量範圍非常廣(從高能的x射線到低能的紅外波段)，而且能量密度極高(也就是很亮)，即使紅移之後對肉眼來說還是太亮，如果沒有類似“墨鏡”的裝置(實際宇航服的面罩會有各種防止高能輻射的鍍膜)，所以我們依然可能看到的差不多是一個均勻的光帶。(就像理論上太陽外側會比中心部位暗一些，但現實中你也看不出來，而吸積盤的亮度太陽完全不能比)。

不過《星際穿越》超越這些科研成果的地方在於，基普·索恩的推導加上高精度的模擬，最終能看到的不止一個吸積盤——上面這張設定圖比較清楚，背面的吸積盤像不僅從黑洞“上面”繞射過來，同時也會從“下面”繞過來。而正對觀察者一側的吸積盤下部的光，則會繞黑洞3/4圈之後再次出現在我們的眼睛裏(就是黑洞上部緊貼它的那條亮線)。這只是繞黑洞圈數較少的光線的像，剩下的像會更加接近黑洞視界，所以難以看清。

當然影片中的黑洞也不是完全沒有問題，除了沒有體現出狹義相對論的紅/藍移效應，沒有壯觀的噴流(jet)也是個缺憾。

物體在落入黑洞時除了粘滯生熱，還有很大一部分能量以噴流的形式放出，這種噴流在超大質量黑洞中非常普遍，尤其是存在於宇宙極早期的天體：類星體(之所以叫這個名字是因爲距離太遠看上去只是一個點，但是光譜又和恆星相差甚遠)中。這些天體以超大質量黑洞的吸積爲動力，在極小的空間內(幾個太陽系大小)，輻射功率可以遠超整個銀河系。可惜目前這些類星體們應該都只剩下一個孤零零的黑洞，經過數億年的吸積，周圍的氣體物質可能早就消耗殆盡，噴流也不復存在，這倒可以解釋影片中這個看上去“柔和”的黑洞，而且，由於黑洞保留了吸積盤的角動量，也可以解釋後面將要提到的黑洞自轉。

　5、米勒星球的巨浪是怎麼形成的?

是受黑洞的潮汐力影響產生的，並且可能有海嘯的成分。

電影裏着陸的第一個星球是米勒星球，相信看過劉慈欣的科幻小說《海水高山》的同學會非常激動的。千米級巨浪很好的詮釋了“排山倒海”的氣勢。這麼高的浪是怎麼來的?一個比較自然的解釋是來自黑洞的潮汐力。(引力在星球不同部分的差，減去星球本身的加速度產生的慣性力之後，會在星球靠近/遠離黑洞的兩端產生拉伸的作用，譬如地球的潮汐就主要來自月球的引力)

我按照非自轉黑洞的情形做了一個估算，如果星球質量和地球相等，浪高是1km的話，星球只需要呆在離黑洞中心20個天文單位就行了，這個距離上，黑洞的潮汐力遠不會達到把星球本身撕碎的水平。

不過影片中的浪來勢之兇猛，形態之突兀，遠不像一般的潮汐。在地球上，由於地形限制，潮汐有時候可以達到5米級的高度(例如錢塘江入海口的喇叭口造型)，也許我們的主角們剛好降落在某個峽灣當中，迅速收縮的海底地形把平和的潮汐給“擠”成了電影中陡峭的造型。

《星際穿越》劇照：初登米勒星球，淺淺的海水

這個解釋怎麼看都缺乏足夠的說服力，而且在這個距離上，黑洞的潮汐力會對星球產生“潮汐鎖定”——潮汐力會把星球本身拉長成橢球，對星球的自轉產生力矩：

這個力矩會把星球的自轉角動量轉化成公轉角動量，我們看到的結果就是星球會遠離黑洞一小點，但自轉會幾乎停下來。

但自轉並非完全停止，即使是月亮，雖然總是一面朝向地球，但依然會有一些擺動，構成了月球天平動的一部分;類似的效應作用在我們的星球米勒上，帶來的就是週期大約1小時(來自基普·索恩在新書裏的估算)滔天巨浪。另外，即使是地球本身也會在月球潮汐力的作用下發生形變，我們稱爲固體潮，最大形變幅度可以達到幾十釐米。這點形變在米勒星球上會被放大很多倍：大規模的地殼運動意味着強烈的海底地震，隨之而來的就是更加可怕的海嘯。在地球上都能達到10米級高度的海嘯放到地殼運動更加劇烈、又有黑洞強大潮汐力協助的米勒星球上，“海水高山”也不再只是導演的想象了。

　6、米勒星球上的時間膨脹

另一個有趣的事實是米勒星球上的時間膨脹：1小時=7年。對於無自轉黑洞(史瓦西黑洞)來說，想讓時間減慢六萬倍，行星的軌道半徑只比黑洞視界半徑大一百億分之一：行星本身的直徑就已經比這個它到黑洞視界的距離大了。另外一個更嚴重的問題是，對於無自轉黑洞，最小的穩定軌道半徑是黑洞視界半徑的三倍，在這個距離上，時間只會比平時慢20%而已。

《星際穿越》留守母船的羅米利教授，庫珀和艾米利亞從米勒星球回到母船時，時間已過27年

難道庫珀看着孩子變得比自己還老的關鍵情節就一定不能成立嗎?只要黑洞還在轉，就沒有解決不了的問題。索恩在新書裏提到，如果我們的黑洞高速旋轉(克爾黑洞)，快到只比理論限制的最大值慢一千億分之一的話，米勒星球就能既保證六萬倍的時間膨脹，又維持在穩定軌道上了。只是這樣一來黑洞的視覺圖像會有很大的不對稱性，爲了不讓觀衆犯糊塗，影片中的是基於60%的最大自轉速率繪製的。

　7、庫珀如何駕駛母船逃離黑洞，去到第三個星球?

利用引力彈弓效應，使母船獲得更多動能。

影片高潮階段，庫珀幫助艾米利亞(安妮·海瑟薇飾)逃離黑洞也很值得一說。經過坑爹的曼恩博士(馬特·達蒙飾)一折騰，母船Endurance早已沒有足以回到地球的燃料，甚至單靠自身動力也沒法到達第三顆星球。

庫珀決定手動操作飛船Endurance環繞黑洞旋轉，進行一次gravitational slingshot：藉助引力彈弓效應，讓飛船Endurance獲得更高的速度飛到第三顆星球。“引力彈弓效應”有點類似大車撞小車，如果小車比大車輕很多的話，大車只會損失一點點速度，而小車會以大車速度的差不多兩倍飛出去。這裏引力就起到了“撞擊”的作用：把黑洞動量的一小部分給Endurance，讓它獲得更多的動能。

《星際穿越》留守母船的羅米利教授，庫珀和艾米利亞從米勒星球回到母船時，時間已過27年

不過黑洞的引力的確太過強大，而且由於最小穩定軌道的存在，飛船Endurance 也差不多快落入不穩定區域了，這裏庫珀犧牲了自己和機器人塔斯TARS所在的飛船：先是用盡所有燃料爲Endurance加速，後來又主動脫離Endurance減輕負荷——這的確會爲艾米利亞進入第三顆星球的軌道減輕負荷，但並不會增加多少脫離黑洞的機會：連接飛船與空間站的爆炸螺栓只會產生很小的反衝，牛頓第三定律在這裏只能給空間站一丁點的加速。

在這裏，索恩解釋，也許庫珀本來的目的就是爲了讓自己進入黑洞：既然操作引力需要統一廣義相對論和量子場論，而需要的數據只有在黑洞視界內部才能得到，那麼，雖黑洞吾往矣，就來一次華麗的賭博吧!

　8、庫珀落入黑洞的過程是怎樣的?他爲什麼沒被撕碎?

稍微知道一點黑洞的觀衆可能知道，黑洞附近會有非常強的潮汐力，基本在你進入視界之前就被潮汐力撕碎，只是這一論斷是基於恆星級黑洞的：譬如太陽如果坍縮成黑洞的話(其實太陽最終會變成地球大小的白矮星)，半徑只有不到3km，這時候視界表面和表面1m處單位質量(1千克)受到的引力差可以達到10的9次方牛頓，足以撕碎任何物體。但是本片裏的超大質量黑洞，視界半徑差不多達到了地球的軌道半徑(1AU)，在同樣位置的潮汐力(引力差)不到十萬分之一牛頓，這點潮汐力，庫珀可能根本感覺不到。

對於庫珀落入黑洞的過程，他自己是意識不到穿越視界的，因爲從他的參照系看，視界並沒什麼特別，甚至依然可以接收到艾米利亞的信號。但是從艾米利亞的角度看，由於引力造成的時間膨脹，庫珀到達視界需要無窮長的時間，庫珀的影像會逐漸凝固在靠近黑洞表面的位置，然後逐漸變紅變暗消失掉(其實光因爲黑洞的引力會繞着黑洞轉很多圈才跑出來)，所以艾米利亞恐怕是看不到庫珀到達視界的最後過程的。

　9、五維空間中由書房組成的時間盒子是怎麼回事?

超級文明的創造，是四維超正方體在三維空間的投影。

就在庫珀從飛船中彈射出來不久，他落入了一個由他家書房組成的高維空間裏。對此，基普·索恩的解釋是這是一個四維超正方體在三維空間的投影。電影中的五維，實際上包含了時間這一維度，多出來的那個空間維，則是可以讓庫珀迅速回到太陽系的捷徑。這裏要提一下導演諾蘭對“時間旅行”的設定，在這部電影裏，一般來說我們是無法影響過去的，例如庫珀沒法從書房中跳出來和過去的女兒重逢，但是引力卻可以成爲影響過去的媒介。

諾蘭在把高維書房可視化的時候參照了埃舍爾的畫作《瀑布》

只能說這個盒子是超級文明的創造，並且這個文明把時間作爲一個維度嵌入了立方體中。索恩認爲這個超立方體是在奇點附近抓住了庫珀並把他救起來，不過我覺得，因爲對於地球來說庫珀到達黑洞視界就需要無窮長的時間，如果之後的劇情在黑洞內部進行的話，對於地球都是無窮久之後的事情了，所以我傾向於認爲這個超立方體存在於黑洞視界附近，在庫珀到達視界之前就把他裝了進去。

後面的一切就很好解釋了：這個超立方體的一個“面”在三維空間中，實際上是一個有體積的空間，剛好和庫珀家的書房重合(我們宇宙中相距百萬光年，在高維空間裏也許只有數米，從黑洞到地球瞬間就可以返回)，而那個時間維度又可以輕鬆讓庫珀通過引力影響過去(譬如風沙落地的痕跡)，最後通過引力操縱手錶的指針，傳遞給女兒世界內部關於量子引力的關鍵信息，最終使得人類得以操縱引力離開地球——在我看來這一段是最煽情的：能夠穿透不同維度的，除了引力，還有愛。