科學(xué)眼觀科幻片——《星際穿越》

傅煜銘

電影回放

未來的地球，人類將面臨嚴(yán)重的生存危機(jī)。各種農(nóng)作物相繼患上枯萎病，大饑荒發(fā)生，人口大規(guī)模減少。為了躲避肆虐的沙塵，人們不得不搬離家園，茍活于陰暗的地下室之中。人類岌岌可危，眼看就要走向滅亡。與此同時(shí)，一些科學(xué)家注意到地球和周圍空間出現(xiàn)了引力異常，并發(fā)現(xiàn)了通往另一個(gè)星系的捷徑。為了人類的生命延續(xù)，庫珀等人組成了一支航天隊(duì)伍，踏上了前往另一個(gè)星系為人類尋找宜居行星的征途。然而，這有可能就是人類的最后一次航天任務(wù)。在歷經(jīng)種種艱險(xiǎn)之后，庫珀能否遵守諾言，回到女兒墨菲的身邊呢？

人類的危機(jī)和希望

相較于其他關(guān)于“末日”的科幻電影，《星際穿越》開篇對于人類終極危機(jī)的描述看起來溫和了許多：沒有一擊奪取人命的超級病毒，沒有極端嚴(yán)重的自然災(zāi)害，沒有脫離人類掌控的邪惡機(jī)器人，有的只是頻發(fā)的沙塵暴和以一定速度感染枯萎病的農(nóng)作物。有的觀眾甚至懷疑，這樣的危機(jī)是否足以使人類滅絕？答案是，只要假以時(shí)日，電影中看似“溫和”的災(zāi)難也絕對會(huì)產(chǎn)生使人類滅絕的威力。如果真的有一種高度致命的、攻擊不同植物種群的枯萎病傳播開來，那么包括人類在內(nèi)的大量動(dòng)物都將逐漸失去食物來源，人類消亡只是時(shí)間問題。隨著植物被紛紛擊垮，土地沙漠化也會(huì)日漸嚴(yán)重，屆時(shí)地球上的一切生命都將被沙塵籠罩。

不過，現(xiàn)實(shí)中人類已知的植物枯萎病，難以同時(shí)具備“高度致命”和“廣泛攻擊不同植物種群”這兩個(gè)特點(diǎn)。這就使得電影中的假設(shè)變得難以發(fā)生。加州理工學(xué)院的植物學(xué)家邁耶羅維茨在給電影《星際穿越》的科學(xué)顧問、著名物理學(xué)家基普·索恩提建議時(shí)指出，如果存在一種攻擊植物葉綠體（植物進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器）的病原體，那么所有植物都無法幸免于難。電影中的危機(jī)看似溫和，實(shí)則是極為罕見的嚴(yán)重災(zāi)難。

面對危機(jī)，科學(xué)家總是積極尋找解決方案。他們在土星附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)蟲洞，而這個(gè)蟲洞正是通往另一個(gè)星系的捷徑。美國國家航空航天局通過發(fā)射探測器和先遣的載人飛船，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)可能具備人類生存條件行星。主人公庫珀等人的任務(wù)，就是找到最適合人類居住的那顆行星，為將來的人類移民做準(zhǔn)備。宏觀的蟲洞（如電影中連接兩個(gè)星系的蟲洞）是無法穩(wěn)定存在的。所以，電影設(shè)定的蟲洞只能是由某個(gè)超級文明制造，并將它放置在了人類可以觸及的地方。不僅如此，通過這個(gè)蟲洞前往另一個(gè)星系中的宜居行星需要的時(shí)間，甚至可以比在銀河系內(nèi)航行所需的時(shí)間更短！人類存亡之際，這個(gè)超級文明表現(xiàn)出了極大的善意。

旅行到黑洞邊緣

“永恒號”穿越蟲洞后，來到了一個(gè)巨大的黑洞附近。這個(gè)名叫“卡岡圖雅”的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽的一億倍，是基普·索恩和“雙重否定”視覺特效公司經(jīng)過理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出的。黑洞本身并不發(fā)光，那么圖片中的光來自哪里呢？原來，落向黑洞的氣體會(huì)在黑洞周圍形成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)，叫作“吸積盤”：吸積盤的氣體由外側(cè)落向內(nèi)側(cè)的過程中，會(huì)將一部分引力能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射，包括伽馬射線、X射線、紫外線、可見光和射電輻射等。黑洞吸積盤可以產(chǎn)生極大的能量，最典型的例子就是宇宙中最亮的一種天體——類星體。不過，由于劇情的需要，電影中的“卡岡圖雅”被設(shè)定為一個(gè)十分寧靜的黑洞，這樣才能保證主角們靠近黑洞時(shí)不會(huì)被高能輻射傷害?！翱▽鶊D雅”只有一個(gè)極薄的吸積盤，其中的氣體量在類星體的吸積盤面前，實(shí)在是微不足道。在我們的想象當(dāng)中，黑洞周圍的吸積盤看上去應(yīng)當(dāng)是一個(gè)發(fā)光的環(huán)，可電影中的“卡岡圖雅”并非如此！在我們想象的光環(huán)所在平面的上方和下方，同樣出現(xiàn)了吸積盤的光線。這兩部分光線其實(shí)來自黑洞的背后，吸積盤的光受到黑洞強(qiáng)烈的引力影響而發(fā)生彎曲，最終呈現(xiàn)在了前方。背景光源的光線在引力場附近經(jīng)過時(shí)發(fā)生彎曲，就像通過透鏡而彎曲一樣，因此這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)。引力透鏡效應(yīng)被愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，而后得到了眾多天文觀測的證實(shí)。強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)往往能夠使大質(zhì)量天體背后的光源產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)鏡像，有時(shí)還會(huì)在前景的大質(zhì)量天體周圍形成一個(gè)環(huán)——“愛因斯坦環(huán)”。圖中便是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的愛因斯坦環(huán)。質(zhì)量很大、引力也很大的明亮紅色星系LRG3-757將背景的藍(lán)色星系發(fā)出的光線扭曲，形成了一個(gè)較為完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

其實(shí)，電影中最終呈現(xiàn)的黑洞只是一個(gè)簡化的、不夠準(zhǔn)確的版本。首先，黑洞強(qiáng)大的引力場會(huì)使吸積盤的電磁輻射發(fā)生“引力紅移”，即頻率降低（波長變長），整個(gè)盤的顏色會(huì)變得更紅：其次，從左向右旋轉(zhuǎn)的吸積盤還會(huì)使電磁輻射發(fā)生多普勒頻移，也就是朝我們而來的光（左側(cè)）頻率升高，顏色變得更藍(lán)，而離我們而去的光（右側(cè)）頻率降低，顏色變得更紅：最后，根據(jù)物理學(xué)中的劉維爾定理，頻率更低（偏紅）的光線將變得更暗，頻率更高（偏藍(lán)）的光線將變得更亮。同時(shí)考慮到以上三種效應(yīng)，“雙重否定”視覺特效團(tuán)隊(duì)和基普·索恩得到了一個(gè)更接近真實(shí)情況的黑洞圖像：吸積盤的亮度左右嚴(yán)重不對稱：左側(cè)更亮更藍(lán)，右側(cè)更暗更紅。

在電影中，庫珀等人要探索黑洞附近的三顆行星（實(shí)際上只登陸了其中兩顆），其中，米勒行星有一個(gè)驚人的特點(diǎn)：時(shí)間流逝速度極慢，它上面的1小時(shí)相當(dāng)于地球上的7年。廣義相對論指出，引力導(dǎo)致的時(shí)空扭曲越大，時(shí)間就過得越慢。這意味著米勒行星要極靠近黑洞，才能獲得強(qiáng)引力帶來的極端時(shí)間變慢的結(jié)果。但是，如果黑洞本身沒有自轉(zhuǎn)，行星是無法在離黑洞足夠近的地方保持穩(wěn)定的?；铡に鞫鞯慕鉀Q方案就是，黑洞“卡岡圖雅”必須有極快的自轉(zhuǎn)速率，因?yàn)楹诙次锢砝碚撝赋?，旋轉(zhuǎn)黑洞可以允許物體在更靠近黑洞的軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。在這個(gè)穩(wěn)定的軌道上，行星的運(yùn)動(dòng)速度足夠大.受到的離心力和引力才能相互平衡。這時(shí)，只有受到強(qiáng)烈的干擾（如與其他天體碰撞），行星的運(yùn)動(dòng)速度被改變，才有可能飛離黑洞或者落入黑洞。

有的觀眾擔(dān)心，電影中行星離黑洞如此近，即便不會(huì)被黑洞“吃掉”，那它又會(huì)不會(huì)被黑洞的潮汐力撕碎呢？靠近黑洞的行星會(huì)受到很大的潮汐力，這是因?yàn)樵谛行侵行暮秃诙吹倪B線上，行星不同位置受到的黑洞引力不同，靠近黑洞一側(cè)受到的引力更大，遠(yuǎn)離黑洞一側(cè)受到的引力更小，這種引力的差異會(huì)使行星發(fā)生形變，被拉長甚至撕碎。要使行星不被撕碎，有三種方法：一是讓行星的直徑盡可能小，二是讓黑洞的質(zhì)量盡可能大，三是讓行星離黑洞更遠(yuǎn)。這三種方法都能使行星不同位置受到的引力差異變小，即減小了潮汐力。在電影中，“卡岡圖雅”的質(zhì)量足夠大，恰好可以使最近的米勒行星不被撕碎。但是，米勒行星上的滔天巨浪還是告訴我們，這里的潮汐力已經(jīng)大得可怕！

落入黑洞

在電影中，庫珀選擇進(jìn)入黑洞，記錄下了黑洞內(nèi)部的量子數(shù)據(jù)，從而解決了這場災(zāi)難的終極問題——引力問題。那么，黑洞中到底隱藏著什么秘密，值得庫珀用生命去冒險(xiǎn)呢？

進(jìn)入黑洞首先可以回答黑洞有無奇點(diǎn)的問題。一些基于廣義相對論的理論指出，黑洞內(nèi)部存在物質(zhì)密度和時(shí)空曲率無窮大的點(diǎn)，即奇點(diǎn)，并且奇點(diǎn)可以不止一個(gè)。按照這樣的理論，物質(zhì)落入黑洞后首先會(huì)被強(qiáng)烈的潮汐力撕碎，而后在奇點(diǎn)處被無限壓縮直至被摧毀。天體物理學(xué)家張雙南同樣從廣義相對論出發(fā)，經(jīng)過計(jì)算提出了“黑洞中心沒有奇點(diǎn)”的理論，他認(rèn)為落入黑洞的物質(zhì)會(huì)在黑洞內(nèi)部分布，但是不會(huì)到達(dá)中心，黑洞中心沒有物質(zhì)，也就沒有奇點(diǎn)。如果庫珀進(jìn)入黑洞后并不落向中心，我們就有理由相信奇點(diǎn)其實(shí)并不存在。

不過，電影中庫珀還是遭遇了所謂的奇點(diǎn)。他在“巡邏者”號飛船中，感受到奇點(diǎn)造成的越來越強(qiáng)的潮汐力，在飛船迫近奇點(diǎn)、即將被撕裂時(shí)，庫珀被彈出了飛船，并被“超立方體”營救。如果奇點(diǎn)真的存在，那么庫珀用機(jī)器人塔斯記錄的黑洞內(nèi)部的量子數(shù)據(jù)將有可能是人類建立“萬有理論”的關(guān)鍵。在現(xiàn)有的物理學(xué)體系下，廣義相對論是最成功的引力理論，它始終不能與量子力學(xué)調(diào)和，廣義相對論可以預(yù)言奇點(diǎn)的存在，但卻不能描述奇點(diǎn)發(fā)生的物理過程。電影中猜測，如果知道了黑洞內(nèi)部，尤其是奇點(diǎn)處的物理性質(zhì)，我們就可能完善量子引力理論，甚至可以找到控制引力的辦法。而在現(xiàn)實(shí)中，我們只能被引力操控。

超越四維時(shí)空

在電影的最后，庫珀在黑洞中被營救，進(jìn)入了“超立方體”。超立方體具有四個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度，比我們感受到的時(shí)空（三維空間和一維時(shí)間）多出了一個(gè)維度。因此，庫珀實(shí)際上進(jìn)入的是“超體生物”（更高級的存在與更高維度的文明）為他準(zhǔn)備好的超立方體的截面，那是一個(gè)個(gè)的三維空間。在這些三維空間中，庫珀可以看到不同時(shí)間的女兒墨菲的臥室，但他無法與墨菲對話，更不能穿越到墨菲的臥室中去。因?yàn)閹扃昕吹降氖莵碜赃^去的光線，而不是正在發(fā)生的事情。在這里，影片做了一個(gè)對拯救人類非常重要的假設(shè)：盡管時(shí)間無法倒流（也就是說庫珀無法穿越到過去），但是引力可以在五維的時(shí)空中傳播，包括在時(shí)間維度上。庫珀奮力地朝著書柜方向敲擊，產(chǎn)生的引力波信號傳到了過去的墨菲臥室，讓書掉下書柜。知道自己可以制造引力異常后，庫珀開始給墨菲發(fā)送編碼信息，而且得益于超體生物對超立方體時(shí)空的設(shè)計(jì)，庫珀傳遞的黑洞內(nèi)部的數(shù)據(jù)可以通過引力波抄近道傳遞給未來的墨菲。墨菲依靠這些信息最終解出了引力問題的終極方程，掌握了控制引力的方法——這應(yīng)該就是后來的人類可以輕易把大型空間站發(fā)射到土星附近的原因。

宇宙到底有沒有比四維更高的維度？首先，我們目前能觀測到的宇宙只有三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度，這一點(diǎn)毋庸置疑。不過，仍然有不少理論嘗試用更高維時(shí)空的假設(shè)來解釋尚未解決的物理問題，其中主張宇宙不止四維的物理學(xué)理論主要包括超弦理論及其派生而來的M理論。超弦理論認(rèn)為宇宙一共存在十個(gè)維度（九維空間+一維時(shí)間），而M理論認(rèn)為宇宙共存在十一個(gè)維度（十維空間+一維時(shí)間）。無論如何，超弦理論和M理論的終極目標(biāo)，就是找到“萬有理論”，從而解釋一切粒子、作用力和整個(gè)宇宙。不過，這樣的理論并不能提供實(shí)驗(yàn)可檢驗(yàn)的預(yù)言，或者可觀測的天文效應(yīng)。因此，這些理論也受到不少人的質(zhì)疑。

有一件事情足以令我們感到欣慰。浩瀚宇宙中的渺小人類，一再地超越了探索的邊界，即便生活在三維空間，他們也沒有被束縛，而是在頭腦中描繪出各種各樣的可能性。即使“萬有理論”并不存在，我們也會(huì)依靠科學(xué)，航行得越來越遠(yuǎn)，離真理越來越近！