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科学家观测到引力波，验证了爱因斯坦100年前的假说，成了这两天最大的新闻。引力波究竟有多重要，已经有太多科普文章介绍，这里不赘。 其实早在科学家宣布这一重大发现之前，克里斯托弗·诺兰已经在他的科幻电影《星际穿越》中运用引力波作为手段，来跨越时空传递关键的信息。《星际穿越》的科学顾问和制片人Kip Thorne正是引力波研究的权威。 他的主要工作是探测引力波和预测引力波形，他发起成立了激光干涉引力波天文台（LIGO），而LIGO正是这次率先观测到引力波的机构。 下面我帮大家来回顾一下《星际穿越》，并详细介绍它涉及的宇宙学知识。 包括引力波在内的宇宙学概念构成了这部影片情节能够成立的根基，但因为电影并不是严谨的科学论文，甚至也不是科普，所以不可能将所有科学设定巨细靡遗地阐述出来，留下了很多模糊的空间。 本文试图做两件事，一是给诺兰的这部电影打上一些补丁，把影片没有说完的话说出来，帮助读者和影迷理解诺兰眼中的那个宇宙；二是对影片所依赖的某些基本概念和假说提出我的质疑。 这部电影为人类的宇宙迁移提供了三个居住地选择，离黑洞最近的一颗行星上有周而复始的巨大潮汐，第二近的行星上则天寒地冻，反而是最远的那颗较适宜居住。按照如此设定，只能想象此星系应该属于一个黑洞／恒星绕着转的双星系统。由于电影的主角是黑洞，所以恒星没有捞到出场的机会。 1973年，霍金等人证明出「黑洞无毛定理」：当黑洞形成后，只存在三个不能转化为电磁辐射的物理量：质量、角动量、电荷。其他关于黑洞的信息都像毛发一般被剔除蒸发了。所以，黑洞不可能向外发送任何电磁信息。但是，像黑洞这种大质量天体，在演化或者运动时，会干扰空间引力波的传播，如果仪器精度足够高，理论上可以观测到一定变化。 于是，库珀在黑洞里像弹棉花一样通过引力波传送信息，居然也有了一定科学依据。 问题是，他到底在向哪里传送信息呢？肯定不能是他之前所在的宇宙。因为他在掉入视界面的一瞬间，他之前所在的宇宙就已经完全消失，这又是为什么呢？ 影片中提到，黑洞中心密度无限大的强引力会扭曲中心奇点附近的时空，在奇点周围形成一个称为视界面的东西。影片中没提到的是，视界面内的时空，与视界面外的时空，不可能存在任何因果联系。 看到库珀父女的年龄相同之后，观众应该已经被迫接受了一点广义相对论的时空观。简单说来，就是引力越大的地方，时间越慢。而在黑洞的视界面上，其引力大到足以「停止」了视界面外部世界的时间。也就是说，虽然观众的视线跟随着库珀，「嗖」一声穿过视界面，掉进花里胡哨的时空魔方里面弹棉花，但在被库珀放鸽子的美女布兰德博士看来，耍帅的库珀只会无限缓慢地接近视界面，却永远不可能穿过视界面。正如俗语所说：相对论是个婊子（Relativity is a bitch）。 对此不好理解的话，我们可以来讲一个古希腊的悖论： 话说海洋女神忒提斯和英雄珀琉斯之子阿基里斯，天生飞毛腿，闲着无聊爱追乌龟。假设阿基里斯的速度是乌龟的十倍，乌龟在阿基里斯前面一千米处；当阿基里斯追上一千米后，乌龟向前跑了一百米；阿基里斯追上一百米后，乌龟又向前跑了十米；追上这十米，乌龟又上前了一米……也就是说，阿基里斯每追上一点，乌龟总会比他又向前一点。以此类推，阿基里斯将永远追不上乌龟。
当然，只要学过高中课本里的等比数列，任何一个高中生都能算出阿基里斯追过乌龟的具体位置。为了理解黑洞穿越的视界面悖论，我们只要把阿基里斯追乌龟悖论里的空间换成时间便可：阿基里斯和乌龟之间被分割成无限的距离，相当于布兰德博士在视界面外所经历的无限时间。 在这无限的距离中，阿基里斯无法追到乌龟，布兰德眼中的库珀无法穿过视界面。可对阿基里斯和库珀来说，超过乌龟和穿过视界面，只在无限外的那一处，和无限外的那一瞬。 所以，影片最后，如果库珀教授返回太空寻找布兰德教授，要替人类在新世界中繁衍后代。那他一定会在黑洞视界面附近，看见另一个正在经历着时间延迟的自己。 换句话说，库珀变相实现了时间旅行。 当然，就现实而言，以库珀这身装束，接近视界面时早已被引力撕扯得稀巴烂了，根本不用考虑什么视界面悖论。为了能让故事成立，只能假定，是「他们」在黑洞里安装了人类物理学现在所不能解释的装备，选择性地让库珀和小机器人存活了下来。 虫洞对于现今的人类来说，完全只是一种理论假想。至今为止，没有任何观测证据能证明其存在。早期的虫洞假说，也称为「史瓦西虫洞」（Schwarzschild wormholes），其实来自于不带电和不自转的史瓦西黑洞理论——这种黑洞也就是影片中所谓的温柔黑洞。 简单说来，这种虫洞相当于一个黑洞加一个白洞，黑洞的奇点将一切吸入，白洞的奇点将一切喷出。这种单向的虫洞不像是两宇宙间的通道，而更像是两宇宙间演化的延续——黑洞奇点吸收的物质能量转化为白洞奇点所喷发的物质能量。后人将黑洞的自转加入考虑，黑洞和白洞的奇点则变为奇点环，但性质没变，一切物质在经过奇点环时依然会被粉碎为纯粹的能量。 影片中的虫洞，则是索恩教授在1988年假想出来的双向虫洞，又称莫里斯-索恩虫洞（Morris-Thorne wormhole）。这种黑洞靠「奇异子」物质来支撑。所谓「奇异子」，即质量为负数的理论粒子，这类奇怪的粒子经常会出现在M理论等弦论数学模型中。和弦论中大多数假设一样，奇异子在现实中并没有被真实观测到，但若公式里引入它们的话，确实能解释许多现有理论难以自洽的问题。 有文章分析，这类虫洞很可能在宇宙早期由负质量的宇宙弦所打开。按照索恩自己的说法，现今宇宙缺乏奇异子物质，只有等到更高等的文明出现后，可以生产或收集足够多的奇异子了，一个稳定的莫里斯-索恩虫洞才有可能被制造出来。
即便不涉及黑洞奇点，这类引力强大到能扭曲时空的通道，为何对影片中宇宙飞船基本毫无影响？参考上面库珀穿越黑洞的解释吧。 按弦论的数学模型推算，宇宙至多存在十一维空间。在我们所能感知到的四维宇宙里，有许多被蜷缩起来的高维弦存在。这种蜷缩，举例说来，就像将二维的塑料，卷成一维无限细的吸管。 理论上，当这些弦相互作用时，或会引发类似伽马射线爆一般剧烈的天体现象。同样属于假想的虫洞，一般认为是四维宇宙经过高维折叠后的时空捷径。但更高维的世界究竟长啥样，唯一能肯定的是，必然会迥异于所有的四维想象。 可以做一个类比。让我们先忽略时间这一维度的影响。作为三维生物的我们，可以在二维平面上画一个圆圈，并在圆圈中画上五角星、四边形等其他图形。这时，二维生物在它的平面空间里，只能看到一条直线或曲线，而看不见封闭圆圈里面的其他内容。
二维眼睛看到的圆圈 同理，我们三维生物，被皮肤这层曲面包裹了所有的内脏。如果一个四维生物看见了我们，理论上讲，应该能看透曲面，我们的内脏将在视觉上脱离于我们的皮肤而存在。刘慈欣《三体》系列的第三本《死神永生》里，有更为精妙的高维世界描述。也许，四维生物的审美可能会更倾向于毕加索的作品吧。 所以在我看来，影片中小女孩房间的时空魔方还是太平常了，远不如《2001太空漫游》最后一片梦魇般杂乱的蒙太奇惊艳。 当然，剧情需要黑洞内外进行能让观众清晰明白的弹棉花互动，这样安排也无可厚非。 至于维度问题，还有种有趣的看法：我们的四维宇宙会否只是更高维度世界的投影？爱因斯坦说过：「如果月亮有自己的意识，那它也许以为，自己绕地球运动是因为自由意志而不是因为万有引力。」那我们四维的自由意志，在更高维的世界看来，会不会仅仅是一种可预测的自然规律呢？这种现代物理所带来的奇异猜想，又让人回想起了柏拉图的洞穴论。 按影片中库珀的说法，制造黑洞和虫洞的「他们」，应该是未来高度文明的人类。「他们」超越了时间空间，专为两父女整了那么一出解救全人类的戏码。 为什么要找他们两父女呢？ 在灾害刚发生的时候，未来的「他们」曾想和现在的人类沟通。不过，要传递「他们」的信息，似乎仅能通过黑洞装置的引力波实现。片中NASA科研人员说，地球曾发生了数次引力异常，其中一次还害得库珀坠机退休回家耕田。这其实是「他们」给现代人发的信息，无奈现代社会太愚昧了，没人能读懂。所以「他们」才精心布局，利用了这对有可能在黑洞内外沟通的高智商父女。
这种说法存在一些逻辑漏洞。 「他们」的引力波可以精确到控制机械零部件，改变拖拉机行驶方向。甚至像库珀弹棉花那样，能精确到影响表针的跳动。那么在理论上，「他们」完全可以想出一个更简单的方式去传递信息。 而且，难道真的只有引力波能穿越时空传递信息？库珀在结尾时分明已经实现时间旅行了。那「他们」完全可以从未来派一个专家来写方程啊。 还是说，在「他们」的历史里，事件正是如此发生的，所以，为了历史的自洽性，他们完全不考虑工作效率，仅仅是尽可能地去还原「历史」？ 于是我只能倾向于另一种可能：「他们」并不是人类，只是一种喜欢看人类狗血家庭剧的超时空高等物种，闲得无聊的时候，丢出一个有选择性接收功能的黑洞虫洞，再随便抽样出两父女来做了个人类学实验。 |
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