《星际穿越》科学解析

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正如罗胖说的，互联网时代讲究的是跨界，但是将科学研究，尤其是理论科学研究，更尤其是理论宇宙学的科学研究与电影结合起来，恐怕诺兰的新片Interstellar尚属首次，况且还结合的如此之完美，经典就这样产生了。虽然不同偏好的观影人对影片分歧很大，但这部才上映三天（原文发布于11月10日）的电影已经毫无悬念的载入史册。为了让大家更好的理解影片和出于对宇宙学的爱好，今天动笔写一篇文章来初略的解释下影片中的物理原理，水平有限，专家勿拍。

问题1：为什么Cooper乘坐的飞船要不停的旋转？

飞船之所以在离开地球大层之后需要旋转是为了制造重力，这样 Cooper 和他的队员们就可以像在地球上面那样正常的生活，可以正常的喝水小便而不会有液体飞溅，此外演员们在3个小时的影片中也不需要假装飘来飘去。当物体绕着圆心旋转的时候，速度作为一个向量始终沿着圆形的切线方向不停的变化，宇宙飞船的外环会对物体（宇航员）形成一个向心的作用力，这个作用力就相当于提供了一个虚拟的重力。在影片的末尾我们看到土星轨道的大型空间站做成卷饼状也是同样的道理。由于向心力与物体到圆心的距离成正比（F = m * (omega^2) * r），越是靠近圆心，向心力就越小（重力越小），所以打飞的棒球很容易就飞到“头上”的建筑打碎玻璃了。

问题2：Cooper航行的目的地是哪？离地球有多远？

Cooper 的航行目的地是 Gargantua，是一个电影虚构出来在银河系之外的一个黑洞，距离地球有100亿光年。一百亿光年有多远呢？众所周知，一光年就是光在真空中走一年时间的距离。1977年人类发射的旅行者号飞了三十多年才勉强飞到太阳系的边缘，而太阳系的直径也才0.003光年，而我们所在的银河系的直径也仅仅才10万光年。现代物理学的假设是任何物体的飞行速度不可能超过真空光速，所以飞船依靠飞行在可能的时间范围内是不可能到达 Gargantua 的，这便需要利用虫洞（wormhole）穿越到宇宙的另一头。

问题3：什么是虫洞？虫洞真的真实存在吗？

电影中 Cooper 的队员其实向观众已经简单解释了什么是虫洞，不过是在二维条件下。我们大家熟悉的空间是三维结构的，所以我们的认知可以很容易的理解低于三维的空间存在。一维就是一条直线，只需要一个数字（坐标）就可以确定物体的位置，而二维空间就是一个平面（假设为一张白纸），需要两个数字（坐标)来确定物体在平面的位置，而三维空间就是我们存在的世界，需要三个数字（长、宽、高）来确定物体的位置。

在二维条件下（平面白纸），两点之间的最短距离是连接两点的直线，如果我们打破维度的限制，将一个二维平面在一个额外的维度（第三维）下进行弯折，两点的距离就可以无限接近。这样连接两点的通道就是虫洞，在二维条件下是一个圆形。而在我们所处的三维世界中，要用这种方法来连接空间中的两点同样需要额外的维度（第四维）来实现，而在三维的世界中（我们以及电影所处的世界），虫洞则以球形存在，理论上可以从任何角度进入虫洞。作为虫洞外部的观察者，我们可以看到虫洞另一端扭曲之后的景象。

虫洞目前为止还仅仅是爱因斯坦相对论的推测，从来没有被真实的观测到。宇宙物理学家认为虫洞在宇宙中无处不在，只不过非常不稳定和存在的时间很短，并可以通过一些方法来稳定虫洞来达到穿越时空的目的。影片并没有脱离科学假设来人为的制造虫洞，而是在导演的安排下somehow就在土星周围出现了一个稳定的虫洞，这样的安排确实有发生的可能性并且符合目前的物理假设。

问题4：为什么Miller行星上面会有巨浪？

Miller 行星上的巨浪非常壮观，差点让 Cooper 有去无回，而这巨浪也仅仅是 Miller 表面的普通潮汐而已。众所周知太阳和月球的引力可以制造潮汐，由于 Miller 行星靠近附近黑洞的引力场，再加上 Miller 行星表面的引力场较弱，形成巨浪也就不足为奇了。

问题5：为什么Cooper从Miller行星返回后已经过去二十多年并且Romily已经老了？

Copper 此行所到达的恒星系与我们的太阳系有很大的区别。太阳系是一个出于青年期的恒星系统，太阳作为太阳系的中心恒星，通过表面的聚变来为周围围绕太阳旋转的行星提供光和热。而 Miller 行星所在的恒星系统极有可能是一个晚期的恒星系统，质量巨大的恒星塌陷后形成了 Gargantua 黑洞，而在黑洞的周围有大量的高温气体和尘埃形成的吸积盘（accretion disk）来为恒星系提供能量。这也是为什么影片中黑洞的表面有光盘。Gargantua 的质量非常巨大（100万个太阳的质量），导致了 Miller 行星处于巨大的引力势能中。根据相对论中的描述，引力势能可以改变时空扭曲率而导致时间流逝发生改变。在影片中，以地球或者 Romily 作为观测者的话，Miller 行星的时光流逝变慢，所以才是地上一小时，天上数十年。这种由于引力场造成的时间膨胀，已经在现实中被实验证实存在。

问题6：真实的虫洞和黑洞看起来是什么样子的？

虫洞只是被理论预测存在而黑洞也仅仅是被间接证据观察到，但是若是宇宙中存在黑洞和虫洞的话，那也将和影片的特效极为接近。影片由著名的理论物理学家 Kip Thorne 担任执行制片人，影片中关于虫洞的特效都是依据理论方程计算得到。即便这些特效出现在科幻电影中，Kip Thorne 所描绘的黑洞和虫洞视觉效果可以作为严肃的科学数据与理论模拟。值得一提的是这些特效还产生了两篇科学研究论文，分别发表在宇宙学和计算机图形领域的期刊上。

问题7：Murph的鬼魂是怎么回事？为什么Cooper在虫洞中可以观察到所有的历史事件？Cooper和Murph是怎样实现通讯的？

这是这个影片最难解释和最难理解的部分，首先需要说明的是在现代理论物理的时空观里，Cooper 在虫洞中的行为是可能的。先来回到我们的问题，这三个问题其实可以归结到虫洞中的五维时空的问题。我们现实生活所处的时空是四维时空，而由于我们观测的限制，我们只能感知三维空间和线性的时间维度。而五维时空则是四维空间加上非线性的时间维度，在影片中，诺兰将时间维度物理化，这样 Cooper 在五维时空中可以向翻书一样查看各个四维时空中的历史事件，理论上讲，Cooper 所处的就是上帝视角，能知晓这个五维时空中所有信息的过去、现在和未来。可以猜测的是这个虫洞和五维时空并非自然形成，而是未来人类为了拯救过去人类而专门为 Cooper 和 Murph 建造的。Murph 在五维时空中以引力波的形式向 Murph 所在的时空产生影响，从而造成了 Murph 所处时空的引力异常（gravity anormalty）。Murph 之所以感觉有鬼魂在她房间是因为感应到了引力异常带来的结果（书架上的书及物品掉落, 带有坐标信息的细砂排列等）。当时 Cooper 以为这只是偶然事件，而 Murph 从小就感觉到这个“鬼魂”非常特别。在影片的最后，Murph 终于明白这是父亲通过时空隧道向她传递信息。

问题8：Cooper向Murph传递的信息是什么？为什么拯救了人类的未来？

从影片中我们可以知道 Brand 教授一开始就知道完成他的理论是不现实的，因为这个理论需要知道黑洞中的重要数据，而在 Brand 教授看来，采集到这样的数据几乎是不现实的，所以虽然设计了计划A（完成理论，拯救人类）和计划B（携带人类DNA到另一个行星来重新繁衍人类文明），但其实最后 Brand 坦言自己其实是想实现计划B。影片中虽然没有明确指出 Brand 和 Murph 研究的理论到底是什么，但我们可以大致猜测到应该是爱因斯坦晚年想解决的的统一场理论。统一场理论试图通过联系电磁力、强力、弱力和引力来解释宇宙本质，而这其中最难以解决的就是引力问题。Cooper 在五维时空中将机器人收集到的重要数据传递给 Murph，让 Murph 得以完成统一场理论来解决反重力飞行，这样便可以建立巨大的空间站将全部人类送入太空，并通过虫洞到达新世界。