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先了解这些物理定律再去看《星际穿越》!

2014-12-07  haosunzhe


《星际穿越》(Interstellar)即将于50天后在全球公映了,本片由著名导演克里斯托弗诺兰导演,乔纳森诺兰创作原始剧本,克里斯托弗诺兰修改剧本,马修麦康纳、安妮海瑟薇、杰西卡查斯坦、迈克尔凯恩等主演,汉斯寂寞谱曲,Hoyte van Hoytema代替已经转行当导演的沃利菲斯特担任摄影,诺兰妻艾玛托马斯与诺兰一起担任影片的制片人。


在影片上映前,不妨先了解几条片中可能涉及的物理定律,这样应该会令坐在影院的你更好地了解影片剧情。



首先,我们必须要清楚的是,Interstellar的剧本时基于科学家基普索恩的时空穿梭理论而书写的,而基普索恩本身也是影片的监制,所以在本部影片中所有的科幻概念及故事各个细节之间的内在逻辑关系,都应该是基于最基本的物理理论来开展的,正是因为这样,大家需要了解一些最为基本的物理学概念,当然了,不需要太深入,只需要知道些皮毛即可,这样才可以使大家在观影的时候陷入逻辑混乱。其实对于理科生还好些,毕竟了解一些,而对于文科生来讲,若不去了解一些基础知识的话,观影的时候肯定会是一头雾水了……


1、万有引力定律与广义相对论


传说中,牛顿先生坐在一棵苹果树下乘凉,突然有一颗苹果掉了下来砸了他的脑袋,于是就有了万有引力定律。当然了,传说只是传说,牛顿先生绝对不会仅仅因为一颗掉落的苹果儿顿悟的,就像他自己说的那样,他站在巨人的肩膀上……



事实上,万有引力定律来自于开普勒的行星运动的三大定律,而这个却是开普勒先生利用了至少二十年的时间通过搜集整理其老是第谷一生的测量结果之后得到的,所以我们不能把这些事情想象得那么简单。在开普勒三大行星运动定律的基础上,牛顿利用科学的逻辑推导方法,最终总结出了万有引力定律,在描述中认为所有的有质量的物体之间都存在着某种引力的作用,引力的大小与作用物体的引力质量大小成正比。


牛顿的理论影响了其后进二百年的物理学世界,而且根据牛顿的理论确实能够解决几乎所有的机械运动问题。但是,在19世纪时,电磁学获得了非常大的发展,并且另一位伟大的物理学家麦克斯韦先生成功地总结出了电磁学的运动定律——麦克斯韦方程组,并预言了电磁波的存在,随后赫兹先生成功地证实了电磁波的存在并证明了光波是电磁波的一种。电磁波的证实为当时的物理学界提出了很多问题,最简单的一条就是:电磁波究竟是在什么介质中传播的呢?为了解决诸如此类的问题,几乎所有的物理学家都在利用当时的牛顿力学体系去解释电磁波的运动,不过让他们失望了,最终几乎所有的实验结果都在证明着一点——电磁运动定律与牛顿力学体系不兼容。而此时的物理学界,确实需要一个天才的新的理论的诞生,来解决物理学的困难。



爱因斯坦——人类历史上最伟大的科学家,据说在他十几岁时就开始思考一个问题:如果人追着光跑,会出现什么情况?当他从苏黎世工学院毕业后,就业于伯尔尼的一个专利局,爱因斯坦依然还在思考这个问题,当他有一天突然搞明白了一点之后,所有的问题随之而解,这一点就是:光在真空中相对于所有的参考系而言速度不变,永远保持为c。这一点冲击着所有人的脑袋,因为经典牛顿力学体系中的相对性原理认为所有的速度都是相对的,跟参考系的选取有关,可是现在光速竟然可以相对所有的参考系保持恒定,无论你参考系是低速的还是接近光速运动的。当时几乎所有的物理学家都不能接受这一点。



当爱因斯坦将光速不变原理结合相对性原理之后,很自然地就推导除了著名的洛伦茨变换公式,于是就有了狭义相对论,并且推翻了人们惯有的时空观。在这之前,人们一直以为时间和空间是隔离的,时间均匀流动,而空间则是三维平直。但狭义相对论认为时间和空间是纠结在一起的,与物体的运动速度有关,只有当物体加速到接近光速时才会有明显的相对论效应。在这之后,爱因斯坦进一步研究了时间和空间的关系,并且把目光对准了大质量的天体,随后提出了著名的等效原理——加速度引力等效原理,再引入了黎曼几何来取代原来的欧几里得几何,于是就有了广义相对论。广义相对论首先再次阐述了我们所处的时间空间都是纠结在一起的,而且是扭曲的,扭曲的程度跟引力的大小有关,如果所处位置的引力很大,那么时空的扭曲程度就越大。用另外的话讲:引力不同的两个位置的时间流逝的速度是不一样的,引力越大,时间流速越慢。


基于广义相对论的描述,我们很容易想象,“天上一天地上一年”这句古话是可以获得非常科学的物理学解释的,只要这个“天”处于一个巨大质量的天体附近就可以了。


2、黑洞与虫洞



说道巨大质量的天体,不得不说那个神秘的让我们望而生畏的天体——黑洞。黑洞之所以神秘,是因为我们现在的物理学根本无法解释黑洞里面发生的事,于是从我们普通人的理解来看,一个连光都无法逃脱的地方一定是一个无尽的深渊,而且更可怕的是,这个东西还可以撕碎我们所看到的物质世界的几乎所有东西。



黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。依据广义相对论,当一颗垂死的大质量恒星会因其自身引力而塌缩崩溃,崩溃的同时会发生超新星爆炸,在爆炸的核心处,剩余的质量将聚集成一点,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。在黑洞的周围,时空的扭曲程度是极高的,也同样会导致在黑洞周围的时间流速相对于我们而言是极慢的,也就是说,如果你在黑洞的周围生活,很容易实现“天上一天地上一年”!



虫洞(Worm hole),又称爱因斯坦-罗森桥洞,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞的概念是1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行,但截至目前为止,这一点还从未获得过证实。“虫洞”的超强力场可以通过“负能量”来中和,达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为,相对于产生能量的“正物质”,“反物质”也拥有“负质量”,可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样,“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过,当前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界,并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。据科学家猜测,宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”,但很少有直径超过10万公里的,而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机,可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。科学家指出,如果把“负质量”传送到“虫洞”中,把“虫洞”打开,并强化它的结构,使其稳定,就可以使太空飞船通过。不过遗憾的是,为了维持虫洞的稳定性,需要大量的负能量聚集在一起,而在我们人类实际的宇宙观测之中,还从未证实过负能量聚集这一状况。


3、时空穿梭


事实上,我们已经在很多的影视作品中看到过时空穿梭相关的情节,比如《星际迷航》、《环形使者》、《回到未来》系列、《终结者》系列等等,在这些作品中可以利用时空穿梭机或者以穿越黑洞虫洞的方式将人或者物品送到过去的年代,不过这些都还是科学幻想,那么这些科学幻想科学么?



我个人现在不敢说在未来人类科技进一步进步后这些依然还不科学,我只能从目前的物理学理论出发做出基于目前物理学理论的判断,把人或者物送回到过去的这些想法没有获得现在已经有的物理学理论的支持,也就是说,基于目前的物理学理论,这不科学!为什么会这样呢?很简单,因为爱因斯坦的光速不变原理,真空中光相对于任何参考系的运动速度都是c,所以光速c是一个基于目前的物理学理论永远无法企及的速度门槛,越不过这个门槛,就永远无法实现时间上的回流。



但时空穿梭是否能够实现呢?我的回答是可以,但不能向过去穿梭,可以向未来穿梭。但就时间的穿梭而言,就像前面已经解释过得,只需要在一个超大质量的天体的扭曲时空中生活的话,时间的流速要相比于扭曲程度很小的空间内慢得多,可以实现“天上一天地上一年”的神话传说。在空间上,因为基于目前的物理学我们所制造的飞行器是不可能接近甚至超越光速的,所以面对浩瀚的宇宙空间,我们如何实现空间上的穿梭呢?基于物理学家基普索恩(Interstellar电影的物理学顾问、监制)的理论,穿越虫洞就可以实现空间上穿梭,但前提是必须要有一个天然或者人造的大型虫洞,不然的话一切依然是渺茫的。



而在本片中,所有的故事情节都是基于现有的物理学理论,所以影片中绝对不会出现很多超出现在物理学理论的情节(可能有个别情节会有),而且从预告片来看,主角们是实现了宇宙飞船的时空穿梭,但这个穿梭并非很多人想象的那样是两个平行时空之间的穿梭,而是我们所处的时空内不同两个点之间的穿梭,也就是说,主角们没有跑到我们的宇宙之外的世界。

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