星際穿越，讓時空旅行不再是夢想

佚名

曾執(zhí)導(dǎo)過《盜夢空間》的美國著名導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭的新片《星際穿越》在國內(nèi)上映后迎來了觀影熱潮。諾蘭十年磨一劍，片中教科書式的情節(jié)和理論，引發(fā)了人們的熱烈討論。

該片的走紅指數(shù)堪稱“現(xiàn)象級”，無論理科男還是文藝女，見面或是網(wǎng)絡(luò)社交用語必稱“蟲洞”“五維空間”。《星際穿越》名利雙收，除了名導(dǎo)、名演和炫酷特技外，影片借助宇宙、航天這些“高大上”的概念，擊中了觀眾獵奇的欲望。

這部電影基于美國理論物理學(xué)家基普·索恩的理論成果，而他的理論成果基本都在他的著作《黑洞與時間彎曲》一書中。包括著名天體物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在內(nèi)的數(shù)位學(xué)者都給《星際穿越》點贊，可見這部電影的“燒腦”程度不亞于《盜夢空間》。觀影亦是學(xué)習(xí)，讓我們也來科普一下影片中提及的一些科學(xué)術(shù)語及理論吧。

什么是黑洞

黑洞是空間中有強大引力的超高密度的天體。假如太陽質(zhì)量不變，大小卻變成乒乓球那樣，這就是太陽坍縮成了黑洞。

黑洞的特點就是有進無出，即：1.任何東西都可以掉進黑洞。黑洞外圍有一層“事件視界”，任何東西只要經(jīng)過了這個“視界”，就要掉進黑洞。2.任何東西都不可能從黑洞里逃出，包括光。因為沒有光從黑洞逃出，故無法直接觀測黑洞，但是從物體被黑洞吸入之前放出的紫外線、X射線等邊緣信息，可以推測出黑洞的存在。

黑洞“潮汐力”

一艘很大的飛船飛向一個天體，飛船頭部距離天體比較近，受到的引力比較大;而尾部距離天體比較遠，受到的引力比較小，頭部和尾部受力大小有差距，就會在飛船中間產(chǎn)生撕扯的拉力，這個拉力就是潮汐力。如果天體是黑洞，質(zhì)量非常大，飛船距離黑洞距離越小，引力差就會越大，這就是黑洞的潮汐力。這個力甚至可以把飛船撕成碎片。飛船里的宇航員也同樣會受到潮汐力的作用。

蟲洞的奧秘

“蟲洞”是科幻片中經(jīng)常出現(xiàn)的術(shù)語，想必大家都不陌生。所謂“蟲洞”就是在三維空間中，利用特殊技術(shù)形成的一個可在短時間內(nèi)穿過較遠距離的空間隧道，即蟲洞是宇宙中相距遙遠的兩點間的一條捷徑，霍金的《時間簡史》里也提及過。沒人見過蟲洞，有人說我們周圍到處都是蟲洞，又有人說黑洞里有蟲洞，還有人說蟲洞是時空隧道，能進行時空旅行。基普·索恩在書里說，我們可以自己構(gòu)建蟲洞。

負能量物質(zhì)

蟲洞在某個時刻產(chǎn)生，短暫地打開，然后關(guān)閉、消失。從產(chǎn)生到消失，時間極短，短到?jīng)]有什么物體能在這么短的時間內(nèi)，從一個洞口穿到另一個洞口。所以，我們能利用蟲洞進行時空旅行的前提是得有辦法使蟲洞一直開著，不讓它消失。基普·索恩覺得有某種奇異物體能貫穿蟲洞，使蟲洞一直開著。這種奇異物體和人類所見的任何物質(zhì)都大不一樣，它具有負能量。要實現(xiàn)負能量其實并不難，參照系不同便可實現(xiàn)。在飛船以接近光速的速度接近蟲洞時，蟲洞的能量自然就成了負的。

時間機器

飛船要進入蟲洞，其速度要接近光速。根據(jù)愛因斯坦的相對論原理，如果你在太空中的速度足夠快，可以做到在太空中待上幾十天，地球上卻已經(jīng)過了幾十年，正所謂古人常說的“天上一日，地上一年”。也就是說，如果你2014年坐飛船以接近光速的速度進行一個月的時空旅行后，回到地球，發(fā)現(xiàn)地球此時已經(jīng)是2044年，這就實現(xiàn)了穿越到未來。目前的科學(xué)理論表明，回到過去是不能實現(xiàn)的。

母子怪圈

雖然回到過去沒有科學(xué)依據(jù)，但這時就有個每部有關(guān)穿越時空的科幻片都面臨的悖論：假如我有時間機器，我就能夠回到過去，在母親懷我之前把她殺死。此時，母親死了，我就不會出世，那又怎么會有我穿越時空來殺母親呢？

之前的科幻片對這點的處理方法有兩種，其一是歷史不可改變觀點：我雖然想殺母親，但會有外界因素使我不能成功;或者說，過去某時某人死了，我回到過去想救某人，會有其他因素阻止我救人，甚至我的出現(xiàn)就是那個人死的原因。

其二是平行宇宙觀點：時空不是唯一存在的，而是有無數(shù)個時空平行存在，它們彼此之間是無法產(chǎn)生聯(lián)系的。這種觀點普遍被人接受。我只是穿越到另一個平行宇宙，殺死了那一個時空里的母親，但這并不影響我穿越前那個宇宙的母親。也就是說，我只是穿越到別的時空而已，而不是回到過去或未來，更沒有所謂的改變歷史。

五維空間

我們所在的世界是三維的，而紙上平面的世界就是二維，現(xiàn)在宇宙學(xué)家將時間看作第四維，而第五維指的是能量的無界限，是由無數(shù)個第四維時間組成的平面。在那里，時間是實體化的。就像你面前有一堵墻，由無數(shù)的豎線組成，每一條豎線就是一條第四維時間線，透過每一條時間線都能看到，在這個時間點三維空間里發(fā)生的事情。

這畫面就好像上帝在看每一個人的生活一樣，很神奇，在“第五維度”的世界里，沒有時間或者空間的界限。歐洲原子核研究中心在瑞士和法國的邊境地下100多米深處，興建了一臺世界上規(guī)模最大的大型粒子對撞機。粒子對撞機正式投入使用后，便可觀察在強大引力的作用下是不是有粒子消失，進入了人類看不到的“第五維空間”。

神奇的引力

在電影中，引力是世界的一切力量之源，是通往各維度空間的唯一橋梁，是拯救世界的關(guān)鍵力量。那么，引力是如何產(chǎn)生的？

在廣義相對論中，引力被認為來自質(zhì)量與彎曲時空之間的相互作用。質(zhì)量決定了引力的大小，而彎曲時空決定了引力的方向。任何物體相互之間都有吸引力，這個力的大小與物體的質(zhì)量成正比。可是，引力為何成了穿越維度的唯一方式？那是因為足夠大的引力能夠進一步彎曲時空從而使得兩個維度之間產(chǎn)生交集點，通過交集點就能到達另一個維度空間。