科学网-星际穿越之科学幻想-陈学雷的博文

星际穿越之科学幻想

2015-1-10 08:46

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星际穿越是去年上映的一部科幻电影，曾引起不少评论和关注。我也应邀以此为题做过几场科普报告，包括昨天（1月9日）还为中科院空间应用工程与技术中心讲过一次。其中，去年12月18日为中科院物理所讲的一次，还承蒙物理所的同志做成了公开课视频，见：http://www.iop.cas.cn/xwzx/jcspjj/201412/t20141229_4282928.html

下面是我为《中国国家天文》杂志撰写的一篇文章，刊载在今年第一期上(此处发表的为原稿，杂志刊出的稿件略有修改）。

星际穿越之科学幻想

前不久，一部科幻电影忽然火遍全球，尤其是天文爱好者们更是津津乐道，相对论、黑洞、虫洞、高维空间等现代物理和天文学中“高大上”的理论和概念一时就成为人人竞相谈论的话题，各种解读和吐槽一时刷爆了朋友圈。亲爱的读者，想必您一定猜到了，我说的就是由克里斯托弗·诺兰(Christoffer Nolan)导演的电影《星际穿越》（Interstellar）。

图1. 乔纳森·诺兰(左)、基普·索恩（中）和琳达·奥布斯特（右）

星际旅行、黑洞等是科幻小说和电影中常见的元素，何以《星际穿越》独受如此热捧呢？这要从这部电影的精心创作说起。拍摄这部电影的创意来自琳达·奥布斯特(Lynda Obst)。她曾参与创作了《霹雳舞》、《西雅图不眠夜》、《超时空接触》等许多好莱坞经典大片。80年代初期，她曾一度和一位研究引力理论与黑洞的天体物理学家基普·索恩(kip Thorne)约会，后来二人各自婚嫁，并都成为各自领域的大腕，而当年的爱情也转为友谊。2005年的一次晚餐上，琳达提议共同创作一部根据真实科学的科幻大片，让观众领略一下物理学定律所可能产生的种种奇妙事物。于是，二人合作，2006年春写出了一个剧本纲要，交给了著名导演斯皮尔伯格，斯皮尔伯格很感兴趣，安排了一位名叫乔纳森·诺兰(JonathanNolan)的剧本作家负责撰写剧本。乔纳森非常认真，为了写好剧本，还专门去基普·索恩担任教授的加州理工学院听相对论课程，并与索恩反复交流，索恩也绞尽脑汁，提供了大量科学创意，为匪夷所思的情节提供有科学依据的实现机制。不过，好事多磨，后来由于种种原因，斯皮尔伯格不能拍摄本片，乔纳森·诺兰也由于好莱坞剧本作家工会罢工和参与其它电影等原因几度离开,而这样一部耗资巨大的电影，没有一个著名的大导演，制片商是不会投资的。幸运地是，最终乔纳森的哥哥，著名导演克里斯托弗·诺兰同意担任本片导演。诺兰兄弟二人带来了很多自己的创作想法融入剧中，最终的剧情与奥布斯特和索恩最早的剧本纲要已没有多少相似之处了。

基普·索恩为了保证电影的科学性，关于科学问题提出了两个电影应该遵循的基本原则：

（1）电影不能违背已经确立的物理定律和已知的科学事实。

（2）电影中关于那些人们尚不太清楚的物理规律允许有猜想和幻想，但这些应该来自真正的科学，要让科学家们觉得至少是可能的。

诺兰基本同意，但他对索恩表示，如果他拍的电影有一些科学上不准确之处，索恩不必负责，这种态度让索恩有点担心。不过，最终索恩对影片的科学性还算满意。基普·索恩教授也专门写了一本科普书，名为《星际穿越之科学》（The Science of Interstellar)，介绍影片背后的科学原理。索恩教授这本书非常精彩，是看懂此电影的必备宝典，而且也能从中学到许多物理知识——甚至对专业的天文学家、物理学家们，读此书也会有不少受益，书的文笔也很好。目前，我的一些同事们，国家天文台苟利军研究员等人正在翻译该书，中文版预计将于2015年春出版。

其实，在某些方面诺兰导演是不惜血本的。比如，为了精确地展现黑洞的形象，片中的黑洞图像由专门负责制作特效的双重否定公司(Double Negative)制作，他们请索恩教授写下了黑洞周围引力场中描述光线传播的复杂方程组，由一位光学专家带领一支由30名计算机视觉效果专家组成的团组，设计程序进行了复杂的光线追踪数值模拟。有些单幅画面就花了多达100小时去产生，总数据量多达800TB ，大致相当于800台个人电脑硬盘的容量。这些复杂的模拟不仅产生了惊人的视觉效果，而且也使我们能够更好地理解黑洞的引力透镜，对于科学家也有很大价值。据说，根据这些结果将发表两篇专业研究论文，一篇是关于天体物理的，一篇关于计算机图像的（不过迄今尚未发表）。

图2. 忍耐号(Endurance)飞船

电影的情节如下：在不久的将来，由于某种病毒的侵袭，地球上的植物患上了枯萎病，只有玉米等少数作物还能存活，地球环境日渐恶化，人类陷入了难以存活的危机。人类也失去了对科学探索的兴趣，前航天员库伯被迫回家务农。他的女儿，充满好奇心的墨菲卧室里发生了种种奇怪的现象，比如书会无缘无故从书架上落下，尘土落在地上形成规则的图案。最后，库柏和墨菲破译了传来的信息，是一组神秘的坐标。他们来到该地，意外地发现了已转入地下秘密工作的NASA基地，那里负责的科学家布朗特教授让库伯带领自己的女儿阿梅利亚等几位科学家乘坐忍耐号（Endurance)飞船离开地球，去寻找人类新的家园。与此同时，布朗特教授等人则将研究新技术，争取能让全人类摆脱地球引力进入太空。库伯等人也将带上大量人类胚胎，万一无法返回，或者布朗特教授无法研究出新的技术，他们就留在新发现的星球上，建立人类的基地，延续人类的血脉。

图3. 影片中的虫洞

太阳系内，除了地球以外并没有适合人类生存的星球。太阳是银河系中一个普通的，银河中有几千亿个恒星，目前已发现许多恒星有行星，而其中有些生命可能是可以存活的。但是，宇宙星际空间是广袤的，太阳系外离我们最近的恒星是位于半人马座的比邻星，距离4.2光年。以我们现有技术的宇宙飞船，至少需要几万年的时间才能抵达。即使未来使用核火箭技术，使飞船速度再提高100倍，也需要几百年才能抵达。因此，要脱离太阳系、抵达其它星球，以我们现在所有的技术，是不可能的——至少也是不适合电影表现的。然而，电影中布朗特教授等人发现，太阳系内开始经常出现引力异常——包括墨菲卧室里的神秘现象也是一种引力异常，而最大的异常是土星附近，竟出现了一个虫洞。

图4. 连接弯曲时空两个部分的虫洞，其喉部需要负能量支撑。

虫洞是广义相对论中一种连接了宇宙两个不同部分的解。早在1916年，一位名叫弗莱姆(Flamm)的学者就发现了虫洞解，1935年，爱因斯坦和罗森(Rosen)又重新发现了这个解，称为爱因斯坦－罗森桥。不过，这些解虽然连接着宇宙的不同部分，但并没有办法用它实现穿越，而且这个“桥”过一段时间就会断开。索恩的老师惠勒(J.A.Wheeler)将其命名为虫洞，因为它就象是苹果上小蛀虫钻出的一个洞。不过，真正使虫洞名扬天下、并成为科幻小说家的最爱的正是索恩本人。1985年，索恩的好友、著名天体物理学家和科普作家卡尔·萨根(Carl Sagan)在写作科幻小说《超时空接触》(Contact)时，设想女主人公从地球一下到达织女星。为了实现这一过程，萨根设想女主人公穿过了一个黑洞。他将手稿交给索恩，让他看看是否符合黑洞物理的要求。索恩指出，黑洞并不能满足这一要求，但虫洞可以，萨根按照他的意见修改了小说。后来，这部小说也被拍成了一部著名的电影。索恩还和他的学生莫里斯(Morris)构造出了一个虫洞的解，通过研究这个解，发现虫洞不仅可能连接宇宙中相距遥远的两个部分，而且有可能实现时间旅行——回到过去。但是，要维持虫洞，需要一种具有负能量的奇妙物质——因此，也许自然界中并没有虫洞。顺便说说，《超时空接触》与《星际穿越》真是渊源深厚，当年琳达·奥布斯特正是萨根介绍与索恩相识的，并且是《超时空接触》的制片人，而《星际穿越》中男主角库伯的扮演者马修·麦康纳也是《超时空接触》中的男主角。

图5. 影片中黑洞附近的行星

穿过虫洞，可以瞬间抵达宇宙的远方（当然，这里的前提是，时空弯曲得确实可以实现这样的捷径），这样就实现了星际旅行。不过，对于所到达的地方，就没有选择的余地了。片中库伯等人抵达的，不是一个普通的恒星系统，而是一个超大质量黑洞的外围。目前天文上已观测到很多大质量的黑洞，黑洞有一个所谓“视界面”，其半径即所谓史瓦西半径正比于黑洞的质量，一旦落入视界面，即使以光速运动也无法脱离黑洞。当然，使用黑洞而非一般恒星作为科幻元素正是本片的特色，但这也给影片带来了一些问题。按照电影的设定，飞船在这里飞行的范围大致类似于太阳系的大小，但中心黑洞的质量却是太阳质量的一亿倍，因此这里的引力场比太阳系内也大一亿倍，男主角乘坐的飞船如何能在强一亿倍的引力场里穿梭自如，他们的燃料又如何够用？另一个严重的问题是，黑洞尽管自身几乎不发光（黑洞有霍金辐射，但对这些黑洞来说非常微弱可以忽略），但实际上天文中观测到的许多黑洞都是宇宙中最亮的天体－类星体，这是因为这些黑洞强大的引力将一些周边的物质吸入，而在物质落入黑洞时，巨大的引力势能转化为动能，速度极高的物质互相碰撞摩擦，形成温度非常高的吸积盘，产生很强的辐射。现实中许多黑洞吸积盘都会产生很强的X-射线辐射，X-射线穿透力很强，足以杀死附近飞船上或行星中的生命。本片的大黑洞周围也有一个大吸积盘，但索恩教授假定它是一个比较“宁静”的盘，物质比较均匀、有序的下落，这样的盘只有几千度温度，类似太阳的表面，不会产生很强的X-射线。这原则上有可能，但并不太稳定，如果有新的物质掉到附近，将会严重扰动吸积盘，让人类移居黑洞吸积盘附近实在不是一个让人放心的选择！

库伯等人首先造访了密勒星球，这个星球轨道位于黑洞附近，一个小时等于地球上的7年，因此尽管库伯等人自己觉得只去了两个多小时，但地球上已过了23年。这是因为在相对论中，高速运动的物体以及处在引力场中的物体都会发生时间变慢的效应，而对密勒星球而言这两个效应都会发生——它处在黑洞引力场中，同时又围绕着黑洞高速旋转。不过，相对论中虽然有这个效应，但要达到这么极端的情形（时间延迟达六万多倍）是比较难的，这要求该星球轨道非常接近黑洞的视界面处。但是，这有一个问题：对于大家所最熟知的球形黑洞（史瓦西）黑洞而言，最小稳定轨道在三个史瓦西半径处，如果距离小于三个史瓦西半径，就不稳定，行星或者会坠入黑洞，或者会飞离。因此，稳定存在的行星只能远在黑洞视界面之外。索恩一开始认为这无法实现，但诺兰坚持这一剧情，索恩后来想出了解决的途径：旋转黑洞（克尔黑洞）的稳定轨道可以更接近视界面。对于最大旋转黑洞，最小稳定轨道可以达到视界面，这时行星环绕黑洞的转速也极端接近光速。即便如此，要让时间变慢六万倍在实际上也是不大可能的，但好在还不明显违背物理定律。这个星球大约一个多小时就围绕黑洞转一圈。尽管这颗行星对于黑洞是潮汐锁定的，始终以一面对着黑洞，就如月球始终以一面对着地球，但这种对准未必是完全精确的，行星也可能发生一些摆动（章动），因此黑洞引力在星球上仍然可以引起巨大的潮汐，或者导致强烈地震而产生海啸。因此，他们着陆后不久就有一个突如其来的巨浪，一位宇航员道尔(Doyle)未来得及进入飞船而丧生。

图6. 密勒行星上潮汐巨浪来临之前的浅水

另一方面，在地球上，女儿墨菲已长大成人，成为布朗特教授的助手，进行科学研究，企图破解引力之谜，以便建造能将全人类带离地球的超级飞船。但他们的研究始终没有进展。布朗特教授临终告诉墨菲，他早就对此不抱希望，地球上的人类注定要灭亡，他只希望库伯等人能在外星繁衍新的人类。不过，奇怪的是飞船上可以收到地球发来的这些消息，却无法回传信息——这并没有物理的解释，因为电影前面明明显示地球能收到此前派出的宇航员传回的信息。或许，只能说是飞船上的通讯发射机设备坏了？

他们访问的第二个星球是曼恩(Mann)星球，这其实是个冰冷的、不适合人类生存的星球，但先期来侦察的曼恩博士为了救自己，伪造数据，声称这里是适合生存的星球，果然骗来了库伯等人。随后，他试图杀死库伯等人，自己进入飞船，但因为不熟悉飞船对接系统，最终在事故中身亡。不过，他害死了一位宇航员柔米利，仅存的库伯和阿梅利亚进入受损的飞船，但燃料已不足飞回地球，也无法飞往另一个星球。库伯和阿梅利亚最后决定接近黑洞，用引力弹弓效应获得足够的能量。

图7. 冰冷的曼恩星球

图8. 旅行者1号和2号飞船利用引力弹弓效应增加速度

所谓引力弹弓效应是利用天体的引力吸引飞船，改变飞船轨道，增加或降低飞船速度。实际上，这一效应在现代航天中已经常使用，旅行者1号和2号，卡西尼等航天器都用了这一效应。库伯和阿梅利亚于是驾驶飞船飞到黑洞视界附近。

图9. 通常想象的黑洞和周围的吸积盘

图10. 《星际穿越》所模拟的黑洞和经过引力透镜效应的吸积盘。这里展现的是旋转速度为最大速度的60%的黑洞，可以看到其略有左右不对称性。

天文上目前还没有实际看到黑洞的影像，比如我们前面提到的类星体，其吸积盘现在也仅仅能看到一个光点而已。人们正在进行射电观测，希望能看到银河系中心的黑洞，不过黑洞究竟什么样子，现在还只能推断和想象。我们一般会以为，黑洞附近的吸积盘看上去就象一个带有黑洞洞的圆盘，例如象图9所示那样。《星际穿越》中出现的带有吸积盘的黑洞与此有相当的不同，如图10所示，那是因为这部电影考虑了一个观测者在黑洞附近实际进行观测时，黑洞引力场会造成光线偏折，也就是所谓引力透镜效应，因此我们看到的形状将有所改变。最明显的变化是，黑洞背后的吸积盘发出的光被黑洞所吸引而发生很大的偏折，因此我们在黑洞的上方和下方将看到弯弯的光弧，仿佛吸积盘翘了起来绕到了黑洞的上方和下方。由于以最大速度转动的黑洞引力透镜所形成的形状是高度不对称的，导演担心观众无法理解，因此模拟的其实是一个以最大速度的60％转动的黑洞。这里一个遭到质疑的问题是，吸积盘既然高速旋转，那么理当有所谓多普勒效应，也就是正在接近我们的一侧发出的光变蓝，而转离我们的一侧变红，但电影中两侧显示的光颜色并无明显不同。据索恩在他的书中说明，这也是因为诺兰导演担心这会让观众看不明白而决定不显示这一效应。不过，实际上，多普勒效应导致的颜色变化是相当复杂的，因为吸积盘发出的不是单色光，它也会把盘所发出的紫外线和红外线变成可见光，因此人眼看到的盘两侧的颜色改变也不一定是简单的变红、变蓝，而与吸积盘的整个能谱有关。

到达黑洞边缘后，通过发射由机器人塔斯驾驶的小飞船获得反作用推力，他们可以脱离黑洞。出乎阿梅利亚预料的是，库伯也主动驾驶小飞船飞入黑洞，剩下阿梅利亚孤身一人前往爱德蒙兹(Edmunds)星球。其实，库伯并没有什么理由要做这一主动牺牲，因为依照广义相对论对黑洞的解读，进入黑洞后既无法离开，也无法向外发送信息，那么进入黑洞只是自杀而已，对阿梅利亚或者别人都没有任何好处。当然，进入黑洞的视界面时，并不一定立刻就死。从外面的人看来，当一个人趋近黑洞时，他的动作和时钟都明显变慢，看上去像是停了下来，同时从他那里出来的光越来越暗、越来越红，而从落入黑洞的人自己看来，他并没有任何特别的感觉。当然，他会看到外面的天空迅速缩小，而黑洞内部逐渐充满视野——虽然我们并不完全清楚他所看到的内部究竟是什么样子——很可能是一些更早落入黑洞、但还没有到达奇点的物质。另一方面，他当然也感受到不均匀的引力场，也就是所谓潮汐力。黑洞的潮汐力与黑洞的质量有关，质量越大的黑洞其史瓦西半径也越大，潮汐力越小。因此，落入大黑洞时并不会感受到太大的潮汐力。其实，正是为了有较小的、人和行星可以承受的潮汐力，索恩才让剧情中那个黑洞质量如此之大。穿过视界面之后，库伯也许会继续下落，直到撞上某种奇点（singularity)——也就是时空曲率发散变成无限大之处为止。

另外，近来也有一些研究者认为，黑洞的视界可能会导致一些普朗克（量子引力）尺度的涨落被放大，从而造就所谓的火墙(firewall)，使宏观物体一到达视界面就被毁灭。因此，著名科学家霍金(Stephen Hawking)在2014年初曾宣称，他现在相信传统意义上的黑洞“不存在”！这一声明曾轰动一时，但他的意思是，传统上所说的黑洞要被这种新的天体所取代，从外面看来它其实与一般所说的黑洞并无多大差异，二者的主要差别在于视界面内部。另一方面，尽管霍金主张这种观点，但目前这一观点尚有很大争议，还未被多数科学家接受。实际上，影片拍摄时这一新观点还未提出，当然也不会进入影片——如果它真的成立，男主角进入黑洞时就会死去，因此也无助于电影情节。

图11. 膜世界示意图。这里用二维膜代表三维膜世界，膜之间的空间代表高维空间。

不过，影片中库伯却从飞船中弹射出来，然后奇迹发生了——他进入了高维空间。这一点，就属于前面说的，对于物理规律尚不清楚之处允许幻想，这一幻想也是基于目前流行的超弦膜世界理论。在超弦理论中，认为世界的本原并非粒子，而是所谓弦，根据数学理论，对于具有超对称的弦，只有在十维空间里理论才是自恰的。既然如此，为什么我们平常只能感受到三维空间和一维时间呢？早期的弦理论家们认为，那是由于其它的六个维度卷曲起来，只有很微小的尺度，因此无法被我们所感知。后来，研究者发现弦论中除了弦外还存在着被称为“膜”的物体，这是一种十维空间中的低维物体，就好象我们三维空间中的二维膜。按照这种观点，我们所感受的三维空间可能就是十维空间中的一种膜，这些膜上附着了许多弦，一端终止在膜上，另一端或者终止在同一膜上，或者终止在另一个平行的膜上，或者伸向无穷远处，这被称为“开弦”。这些弦的振动是一些波，同时根据波粒二象性，也是粒子，就是我们平时所看到的夸克、电子、光子等。由于开弦的一端附着在膜上，因此这些粒子始终在膜上运动，而无法离开膜，由这些粒子组成的我们就无法感受到高维空间的存在，而只能生活在膜世界之中了。只有万有引力也即时空扰动对应的是一些自身闭合成圈的弦——闭弦，可以脱离三维膜而进入高维空间。不过，若引力可以随意远离三维膜世界，它就不服从久经实验检验的平方反比关系了。因此，在流行的Randall-Sundrum模型中，通过一些特殊的构造，使引力也被束缚在膜的附近。

虽然高维空间和膜世界是现代物理学中很流行的猜想，但库伯作为膜内的生物能进入并感受高维空间就纯粹是幻想了，而且库伯神奇地在高维空间中回到了地球上他女儿的卧室外。他悬浮其中，却又包围着女儿的卧室，向上看可以看到卧室的地板，而向下看可以看到卧室的天花板，向北看可以看到卧室的南窗，向南看可以看到卧室的北墙，。。。。。。此外，他还可以回到女儿的过去，随意改变卧室内的东西——在卧室内的人看来，室内的东西好端端地突然发生变动，是某种“引力异常”，而原来当年库伯女儿在其中看到的种种怪异现象，正是高维空间中的库伯造成的！这些并不是弦论膜世界理论所包含的内容，而是影片的幻想。不过应该说，这是首次尝试塑造高维空间的视觉影像，且视觉效果上也颇为独特，还是很值得肯定的。不过，恐怕大部分观众在观影时要理解这一效果并不容易。

图12. 高维空间中的库伯与女儿书房空间关系示意图（取自索恩的书）

图13. 《星际穿越》中带有时间维度的高维空间（取自索恩的书）

图14.影片中漂浮在高维空间的索恩（取自索恩的书）

库伯此时知道任务注定失败，很后悔离开女儿，因此通过移动室内的书发出密码，让女儿劝当年的自己留下，但当年的自己却不肯听女儿的劝，坚持要走。看到这一幕的他意识到，自己如果不走，是不可能进入这个高维时空的，因此他不能改变这一事实。于是，他改变主意，又回到更早以前，给女儿发送了NASA坐标，再移到后来，给成年的女儿发送了机器人塔斯在黑洞内观测到的数据,使女儿终于能够解开引力之谜。

完成这些后，库柏离开了高维空间，悬浮在木星附近虫洞的出口处，被正好经过此处的人类空间站救起。这正是他女儿解开引力之谜后建造的带领全人类进入太空的超级飞船。此时，他女儿已是老年，即将死去，而库伯依然年轻。女儿暗示库伯去寻找阿梅利亚——后者正孤独地在爱德蒙兹星球上养育着人类胚胎，影片至此结束。

对于这部影片人们的评价不一。总的说来，该片场面宏大，构想天马行空，颇具创意，但人物性格塑造比较单薄，剧中有许多表演显得煽情而粗糙，特别是片中前一小时的内容显得节奏缓慢拖沓。在科学方面，一方面号称要拍一部“最科学”的科幻，关于黑洞、虫洞、高维空间的塑造也的确独具匠心，但另一方面剧中有许多情节虽不明显违背科学定律，却很不合理，以致遭到很多网友吐槽。这不免让人想到，诺兰兄弟特别是克里斯托弗·诺兰导演根据自己的口味加入了许多剧情内容，如果剧情基本照奥布斯特和索恩原来的纲要处理，科学上或许会合理得多。也许，将本片称为带有缺陷的杰作是比较合适的。