2023年7月9日发(作者：)

【果壳物理】星际穿越⾥的物理知识诺兰⼤导演的这部电影的情节讲述的是⼀个濒临毁灭的地球，绝望中的⼈类派出他们最后⼀批宇航员，试图通过穿越时空中的隧道(⾍洞)，找到⼀个适合⽣命⽣存的新的家园……但在欣赏精彩的科幻镜头的时候，⼀系列专业名词也是让⼀众⼩伙伴“跪了”，直呼“不好好学习以后连电影都看不懂了”。这些“傻傻分不清楚”的名词到底是什么意思？⼩编在做了充分的调查之后来为⼤家答疑解惑。问题⼀：影⽚中多次出现的⿊洞究竟是什么？⿊洞形成的原因是什么？相信诸位看官在观影时都被宛若深渊的⿊洞所震惊，诺兰⽤艺术的⼿法向我们展⽰了⿊洞的概念，令⼈叹为观⽌。⼩伙伴们不禁要问⿊洞是什么呢？他是如何形成的呢？⿊洞是现代⼴义相对论中，宇宙空间内存在的⼀种天体。1916年，德国天⽂学家卡尔·史⽡西(Karl Schwarzschild)通过计算得到了爱因斯坦引⼒场⽅程的⼀个真空解，这个解表明，如果将⼤量物质集中于空间⼀点，其周围会产⽣奇异的现象，即在质点周围存在⼀个界⾯--"视界"⼀旦进⼊这个界⾯，即使光也⽆法逃脱。这种"不可思议的天体"被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为"⿊洞"。"⿊洞是时空曲率⼤到光都⽆法从其视界逃脱的天体"。⿊洞⽆法直接观测，但可以借由间接⽅式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸⼊之前的因⾼热⽽放出和γ射线的"边缘讯息"，可以获取⿊洞存在的讯息。推测出⿊洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云⽓团绕⾏轨迹取得位置以及质量。这样神奇的天体⼜是如何形成的呢？⽬前⼀般的解释是巨⼤质量的恒星中核燃料耗尽，⽆法维持⾃⾝星体的体积，爆炸后剩余质量形成⼀个致密的星体，⽽这个星体上，光速⽆法逃脱星体引⼒，造成我们看不到这个星体，也就是⿊洞，简⽽⾔之就是⿊洞的形成原因就是恒星爆炸。如果这样两三句就可以解释⿊洞，那它早就不是宇宙中最神秘的物体了。更近⼀步的原因有两层，⼀是超新星的爆炸，⼆是巨⼤的质量。现在我们普遍认为⾸先星体的质量巨⼤是超新星爆发的主要原因，因为这样的星体核反应迅速，内核的温度极⾼，强劲的引⼒收缩更提升了内部的温度，使得核反应不断升级，直到不再能产⽣核能的⽣成铁核的聚变反应为⽌。此时内核温度已达⼏⼗亿度，原来顶住引⼒向内挤压的热核反应的热量所产⽣的向外的压⼒已枯竭，更要命的是，此时的⾼温使中微⼦⼤量产⽣，它⼀下⼦就带⾛了内部的许多热量，引⼒突然间就⽐向外的压⼒⼤得多，于是整个星体就猛然崩塌，向中⼼坠落的同时，⼤量的引⼒能释放出来成为热能和反弹的动能，此即超新星爆发。其次星体的巨⼤质量也是⿊洞形成的主要原因，这是⼴义相对论计算的结果，不必超新星爆发，只要质量⾜够⼤，星体的内部就终将没有任何⼒量可以抵挡引⼒，⽽必然形成⿊洞。通俗的说恒星到了晚年，耗尽全部的核燃料，由于⾃⾝引⼒会发⽣坍缩。如果坍缩物质的质量⽐太阳质量⼤3倍，那么最终的坍缩产物就是⿊洞。这样说起来似乎有点凄美，就好⽐流星划过产⽣的陨⽯，仿佛⿊洞是恒星终结的产物，但是我们已经要清楚，这并不是必然产物，前提条件是坍缩物质的质量⽐太阳质量⼤3倍，最终的坍缩产物才是⿊洞。问题⼆：五维空间真的存在吗？以⼈类的能⼒能够感知更⾼维度的空间吗？影⽚中库珀坠落⼊五维空间，努⼒寻求与⼥⼉的交流⽅式不时掀起了理科⽣的颅脑⾼潮。对于这部分内容，⼩编只想说已经把这么多年来我们对时空隧道，时空扭曲的视觉形象表现得淋漓尽致。故事本⾝的描述，从物理上来说完全是科幻，即从⼀个时空向另⼀个时空传递信息。⽽且男主⾓⾃⼰所处的时空，按照剧中所述是第五维，⽽我们的时空结构是四维的。事实上电影在⿊洞以及这个超时空的描述上，⾮常复杂。影⽚中⽤了⼀个词 Tesseract，中⽂翻译为四维超正⽅体。从⼏何的⾓度讲，它就是三维世界中的⽴⽅体在四维世界中的表现，就像⽴⽅体相对于正⽅形。男主⾓在陷⼊这个时空结构的时候，他肆意地看着⾃⼰的过去，努⼒找到⼀个可以跟过去交流的⽅式。的⽅式。在理解五维之前，先让我们从四维开始。四维，就是加⼊了时间的三维。如果你也处在四维空间，你看到的⼈，应该是这样的：事实上应该⽐这个轨迹更长，这个⼈的⼀⽣，都体现在这个长长的轨迹⾥，让我们把图中的这种形状叫做“四维轨迹图”好了。⽽我们在三维世界看到的这个⼈，就是这个长长的四维轨迹图的⼀个瞬间的投影⽽已。所以，三维就是四维中的某⼀个时刻，反过来，四维则是三维的集合。事实上，这⾥第四个维度是把时间看为⼆维并将其中⼀维作为空间⽽得到的，⽽这与把空间看为四维有所不同。详见：从⼀维到四维当然，时间空间本⽆实质区别，这⼀点会在今后的果壳周刊⾥讲到。那么什么是五维？其实就是概率（也可以理解为不同的可能性），即加⼊了平⾏宇宙的四维。那么投影在四维中，也是⼀个四维轨迹图。那么在五维世界⾥，应该是什么样⼦的呢？在五维中，你会看到，同⼀个⼈，有⽆数个四维轨迹图（每⼀个轨迹图，都是他的⼀⽣，可能是成为医⽣，他也可能成为了总统等等。所以五维中，有⽆数种可能的此⼈的⼀⽣）叠加在⼀起，投影到任何⼀个四维空间，概率波就坍缩成为某⼀种特定状态，也就是他的某⼀种⼀⽣。这让⼩编不禁想起了久赋盛名的爱因斯坦的世界线理论，如果把四维看作⼀条世界线，那么五维则是⽆数条世界线的集合。在闵可夫斯基图中，物体的整个⽣命史可表⽰为⼀根蜿蜒的线，即世界线。世界线永远从过去⾛向未来(在标准闵可夫斯基图中'指向纸⾯上⽅')，⽽通过空间的运动则⽤线的左右摆动⽅式来表⽰。但这根线必须永远保持在其⾃⾝的未来光锥内，这对应着空间运动速率低于光速。在弦理论中，基本弦和环扫出世界线的⼆维对应物，即称为世界膜的时空径迹;于是世界膜的相互作⽤⽅式被认为决定了基本粒⼦。光锥正⽅向的截⾯半径即在原点到该点经历的时间内能到达的最远距离，⾯积即能影响的最⼤区域。同理，反向区域即过去能影响到你的最远距离事件。光锥之外，我们⽆法对其产⽣任何影响，也⽆法受到其影响，研究时可以将其剔除。说了这么多，⼩伙伴不禁要问，既然五维空间乃⾄更⾼维度的空间都存在，那么我们有能⼒感知这种空间结构吗？在这⾥⼩编只能遗憾的说：“不能”⼈类所能感知的最⾼维度是四维，常态下通过感官可以感知三维，第四维通过想象也可以建⽴感知，但是更⾼维度虽然可以建⽴数学模型，但由于缺乏感觉器官，⽆法产⽣空间感，⽆法察觉其存在。如果⽤世界线理论，正如我们⾃⼰本⾝⽆法超越⾃⼰所处的这条世界线，那么也就不会感觉到其他世界线的存在，也就⽆法产⽣对五维的空间感。然⽽理论并没有禁⽌我们⼤脑想象出⾼维结构，详见：从⼀维到四维问题三：⾍洞真的存在吗？正如影⽚中所展⽰的，这个位于⼟星轨道周围的⾍洞帮助⼈类实现了⾏星系统的跳跃，⼩伙伴不禁要发问，真的存在所谓的⾍洞吗？为了解答这个问题⼩编特意查找了资料。⾍洞这⼀概念是在最早于1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆提出 ，并于1935年由爱因斯坦及纳森·罗森加以完善。因此，“⾍洞”⼜被称作“爱因斯坦—罗森桥”。“银河系⾍洞说”来源于⼈类对于暗物质的研究的进展。的⾥雅斯特国际⾼等研究院课题组在2013年绘制了⼀份⾮常详细的银河系暗物质分布图，将其与最新研究得出的宇宙⼤爆炸模型结合后，发现银河系中不仅具备存在“⾍洞”的条件，甚⾄整个银河系都可能是个巨⼤的“⾍洞”。按照意⼤利天体物理学家保罗·萨鲁奇等⼈建⽴的理论模型来看，这样的假设确实有可能得到证实 ，⽽其更⼤的意义在于，它将促使科学家对暗物质研究进⾏“更为准确的重新思考”：暗物质是否就是“另⼀个维度”的存在？或者，它本⾝就是⼀个星际交通的运输系统。同样科学界⼜有另⼀种声⾳，认为⾍洞并不存在，这⾥我们引⽤了英国媒体采访英国皇家天⽂学会教授马丁-巴斯托的相关报道。巴斯托表⽰：“我不认为⾍洞真实存在。解释⾍洞的⼯作原理仅限于科幻范畴，没有任何直接证据证明宇宙相关报道。巴斯托表⽰：“我不认为⾍洞真实存在。解释⾍洞的⼯作原理仅限于科幻范畴，没有任何直接证据证明宇宙中存在这种东西。我们对⿊洞有⼀定了解，但对于连接空间不同区域的东西，我们还只是提出想法并且是⾮常初级的想法。从拍摄《星际穿越》的⾓度上说，⾍洞这种东西在影⽚中必须存在，否则的话，影⽚的情节便⽆法往前推进。”可见⾍洞这⼀概念还只是停留在理论层⾯，⼈类到⽬前为⽌尚未观测到⾍洞。不过科学的发展离不开⼤胆的假设，正如当初如果不是道尔顿⼤胆的提出世界上第⼀个原⼦模型，之后汤姆⽣提出枣糕模型，便不会启发卢瑟福的⾏星原⼦模型，也不会再出现波尔的量化原⼦模型，最后的最后便不会有量⼦⼒学的出现。每⼀代科学⼈的卓越贡献都是站在前⼈的肩膀上，看见了⼀个更加⼴阔的世界。⼩编不禁要引⽤⼤学时的物理⽼师的⼀句话:“学习物理要⾯对整个物理学的历史，从历史中学习，⼀个没有掌握物理学史的⼈是感受不到物理学的美妙的”。问题四：什么是引⼒？什么⼜是引⼒异常？⽜顿引⼒理论⼈类对于引⼒的认知最早起源于⽜顿于1687年出版的《⾃然哲学的数学原理中》，在这本书中，⽜顿⾸次提出了引⼒的概念。他发现任何物体之间都有相互吸引⼒，这个⼒的⼤⼩与各个物体的质量成正⽐例，⽽与它们之间的距离的平⽅成反⽐。这套理论帮助他解决了⾏星运动问题。简单来说，就是质量越⼤所产⽣的引⼒越⼤。但是对于引⼒产⽣的原因，他⽆法给出答案，这也正是他最终在引⼒起源的问题上转⽽相信上帝的原因。爱因斯坦引⼒理论但是在1859年，勒威耶发现在⽔星近⽇点进动问题中，存在着⽜顿理论⽆法说明的部分。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的观念，否定了瞬时超距作⽤，从根本上动摇了建⽴在这些旧观念基础上的⽜顿引⼒理论。经过约⼗年的探索，爱因斯坦于1915年提出了迄今为⽌最成功的近代引⼒理论──⼴义相对论。这套理论中⾸次将引⼒，时间，空间这三个看似毫⽆关联的概念联系在⼀起。在爱因斯坦看来，宇宙万物就是由时间空间编制⽽成的结构，有质量的物体就会造成编制结构的凹陷，造成时空的扭曲，这种扭曲正是引⼒的表现形式。⼴义相对论克服了⽜顿万有引⼒定律所遇到的困难，完满地说明⽔星近⽇点的进动问题;预⾔光线在引⼒场中会发⽣偏转;强引⼒场中原⼦发出的光谱线和弱引⼒场中同种原⼦发出的同⼀光谱线相⽐，前者的光谱向红端移动。这些效应都在不同程度上得到观测和实验的证实现阶段引⼒理论的发展近⼏⼗年，出现了⼀种以局部惯性系的存在为前提的引⼒规范理论却引起了⼴泛的注意。这种理论，就时空的⼏何性质⽽⾔，不仅考虑了曲率，⽽且考虑了挠率;就物质的特性⽽⾔，不仅考虑了能量、动量，也考虑了⾃旋。它不仅和⼴义相对论⼀样，能经受住⽬前实验和观测的检验，⽽且有可能克服奇性和重整化困难。在这个⽅向上，最近出现的超引⼒理论已经展⽰了将四种基本相互作⽤统⼀起来的诱⼈前景。那么引⼒理论的本质是什么呢？这是⼀个庞⼤的话题，限于字数⼩编在这⾥只能粗浅的谈⼀谈⾃⼰的理解。我们现在已经知道了时空是时间，物质，空间⼀体化组合。且引⼒的本源就是时空!也就是说引⼒是时空性质。这就是说明了引⼒是宇宙中根本性的⼒，是⼀种时空性质。还有⽐这个更⼴的⼒吗?没有。引⼒可以使得时空弯曲，但不是时空弯曲产⽣了引⼒，⽽是时空能量，是时空产⽣了引⼒。这就是为什么只要是具有质量的物体都具有引⼒。因为引⼒就是⼀种时空性质，任何有质量的物体⽆法脱离这样的时空法则。从宏观到量⼦层⾯都是这样的。所以就很明显了，引⼒波正是时空的波动，时空的涟漪，引⼒波通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引⼒辐射的形式传输能量。那么什么是引⼒场? 时空就是引⼒场，很显然这样的引⼒场是全域场。这和现有的引⼒场定义有根本区别。引⼒场是⼀种全域性的时空性质，其场强度和能量物质分布及运动速度成正⽐关系。现在我们认识了引⼒，引⼒波，引⼒场，那么最为神秘的引⼒⼦⼜是什么？引⼒⼦，⼜称重⼒⼦，在物理学中是⼀个传递引⼒的假想粒⼦(⽬前仍未知是否真正存在)根据量⼦⼒学的波粒⼆象性,引⼒波在有观察者对它进⾏观察时就会“塌缩”成为粒⼦，即引⼒⼦，⼈类不能直接观察到引⼒波，⽽只能观察到引⼒⼦。引⼒⼦是唯⼀的宏观粒⼦。在标准模型理论中，引⼒⼦的发现将为⼈类实现四⼤基本⼒的统⼀，即⼤统⼀理论的出现奠定基础。⼩编最后想说，这部电影虽然存在科学硬伤，诸如⽕箭发射装置距离办公区如此之近，为什么⿊洞的吸积盘既没有出现多普勒频移，也没有出现喷流，还有为什么⼩队的登陆飞船没有反向加速系统等⼀系列问题。但是仍不失为近⼏年最成功的⼀部科幻电影，它的成功不仅在于细腻的表现⼿法，恢弘的的特效成果。⽽更在于它⾸次将天体物理的诸多概念展⽰给了⼤众群体，它所传达的时空观念，以及展现的超越时空的⼈类的情感。或许可以引发观影者关于那个终极问题的思考：我们是谁？我们从哪⾥来？我们⼜将去向何⽅？思考：我们是谁？我们从哪⾥来？我们⼜将去向何⽅？