《星際穿越》背后的神奇密碼

置我山窗

我們偏愛，搜尋一致的事物，在我們的星辰下面，雖然我們互不相同，像兩滴水。

——辛波斯卡

網絡上，曾有一部短片風靡一時。

最初的畫面是茂密草叢，點點螢火紛飛，天邊一輪碩大的月亮。再一轉，月亮變成了三維圖像，與其他的星球一起，按半徑大小依次排列，從矮行星到恒星，從星系再到宇宙，地球只是其中的螢火一點，而人類只是附著在這個淡藍色光點上的微塵。

可是，宇宙的廣闊深邃從未使人類望而卻步。牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的契機，不僅是那個砸向他的蘋果，還源自于他對天體的好奇——為什么月球不會像蘋果落地那樣，掉落到地球上呢？由此，他發(fā)現(xiàn)了在任何物體之間都具有的相互吸引力，質量不同，引力不同。

后來，有一位科學家預言出一類質量足夠大、密度極高的星體。它有強大的引力場，甚至連光線都不能逃逸。雖然人類無法看到，但是仍可以感受到它的引力，這被后人稱之為“黑洞”。

再后來，廣義相對論在人類非凡的大腦中“誕生”，引力被視為質量引起的時空彎曲的表現(xiàn)，人們還推斷出一種時空彎曲中的漣漪——引力波的存在。

導演克里斯托弗·諾蘭通過一部電影《星際穿越》，讓引力、黑洞成為人類探索宇宙、超越自身限制的重要工具。

《星際穿越》的故事發(fā)生在不遠的未來。由于地球環(huán)境的惡化，人類忍受著饑餓、缺氧、沙塵暴肆虐的痛苦。他們寄希望于一個可以快速通往外太空的蟲洞，試圖去太陽系之外尋找宜居地。他們派出幾支考察隊伍穿越蟲洞，獲得的反饋是有三個星球可能適宜人類居住。為此，一個以NASA前任宇航員庫珀和女科學家艾米莉亞為主的探險小組載著人類全部的希望出發(fā)了。在探索的路上，他們遭遇過背叛，喪失過隊友，進入過絕境，親臨過奇詭的星球環(huán)境，直面過黑洞的壯美與神秘，感受過人與人之間真正能穿越時空、維度這些物理限制的親情牽絆。

電影的前三十分鐘，除了鋪墊末日環(huán)境、主角之間的家庭關系，更重要的是呈現(xiàn)引力的重要性。

由于地球本身有相當大的質量，會對地球周圍的物體產生引力。刨除由于地球自轉產生的微弱向心力之外，這種引力基本等同于重力。蘋果砸向地球，我們能在地球上“腳踏實地”都是因為引力的存在。

如果一個物體想沖出地球表面，那么它只有一個選擇——擁有非?？斓乃俣?，至少要達到每秒7.9千米以上，這被稱為“第一宇宙速度”。不過它會環(huán)繞著地球做圓周運動，人造衛(wèi)星就是如此；

如果它想脫離地球引力的束縛，那么就要加把勁，運行速度要達到每秒11.2千米，這個速度被稱為“第二宇宙速度”。但即使擺脫了地球，它又會因為太陽的引力，仍環(huán)繞著太陽運動；

如果它還想脫離太陽的引力束縛，就需要繼續(xù)提速，達到每秒16.7千米以上的“第三宇宙速度”，才能“逃離”太陽系。

但是要達到任何一種“宇宙速度”，都要耗費大量的資源和金錢。更何況在世界末日的背景下，要組織全人類大規(guī)模離開地球簡直是天方夜譚。所以《星際穿越》的故事，就架構在一個超脫人類現(xiàn)有技術水平的未來世界里。

在故事的最初，科學家因為數(shù)次發(fā)現(xiàn)地球上的重力失常情況，想到了通過控制引力，幫助人類大規(guī)模遷徙的辦法，但是其中一些關鍵數(shù)據(jù)沒有被測算出來。同時，由于太陽系中沒有人類的宜居星球，以人類現(xiàn)有的科技水平還無法到達太陽系之外，所以一個出現(xiàn)在土星附近的蟲洞成了人類的救命稻草，帶來了離開太陽系的希望。

理論上講，由于星體的質量不同，引力不同，可以引起時空彎曲。所以科學家在研究時空彎曲時突發(fā)奇想：就像一只螞蟻想從蘋果的一端爬到另一端，既可以選擇繞著蘋果的外層爬過去，也可以選擇直接爬過蟲子的蛀洞，穿到對面去。假如我們的時空就是蘋果，如果繞著蘋果外圍走，人類能到的地方非常有限，但如果有一條蟲洞一樣的通道，穿過去，就能快速到達對面。

在電影中，主角庫珀所在的探險小組正是穿過了這樣的蟲洞，才避免了運行速度不及每秒16.7千米（第三宇宙速度）的技術限制，到達了太陽系之外的陌生星系。出現(xiàn)在他們眼前的那個黑洞，就是電影中另一個沉默，但不可忽視的主角。

由于有質量就有引力，假若有三十顆太陽質量的恒星從誕生起就在與自身的引力進行“抗衡”，直到冷卻，收縮，最終形成一個密度無限大，體積無限小的天體，那就是“黑洞”，它的引力非常強。而探險小組到達的第一個星球，就是圍繞黑洞軌道旋轉，受黑洞強引力影響的米勒星球。

就像地球，因為天體的引力，導致海水周期性漲落，形成潮汐，米勒星球也因為黑洞的引力，形成潮汐。只是它的潮汐足有千米高，讓人類乘坐的那艘能夠穿越蟲洞、漫游宇宙的飛船，在滔天巨浪面前，變成了小小的舢板，人類不再有乘風破浪的自信，只能隨著浪潮浮沉。

但是黑洞引力對于這個星球最大的影響不是潮汐，而是時間。

在廣義相對論中，沒有絕對的唯一的時間，時間都是相對的。它有一個預言：在大質量的物體附近，時間流逝得更慢。所以黑洞的強引力導致米勒星球的時間走得非常慢，一個小時相當于地球的七年。也正是因此，當探險小組從米勒星球的巨浪中死里逃生之后，他們與地球的時間相差了二十多年。

那么，在黑洞中時間又是什么樣的呢？《時間簡史》中，作者霍金舉了一個例子：假設在一顆大質量的恒星坍縮成黑洞之前，有一個勇敢的宇航員降落到恒星上，每一秒都向恒星之外的飛船發(fā)出信號，人們會發(fā)現(xiàn)，這個每秒的信號會越來越長，直到這顆恒星縮到一個界點之后，引力場已經強大到沒有任何東西可以逃逸出去，這一秒鐘被無限延長，卻永遠到不了下一秒。這個宇航員被永遠留在了過去、現(xiàn)在、未來。

其實，人類現(xiàn)在接收到的，耗費無數(shù)個光年才到達地球的宇宙信號，又何嘗不是宇宙的過去呢？我們生活在地球的現(xiàn)在，研究著宇宙的過去，卻可以用非凡的智慧去探索宇宙的未來。

2017年10月16日，人類首次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。這是繼人類首次探測到引力波信號、首次探測到來自雙黑洞合并的引力波信號之后，最令人振奮的收獲。它為百年前，愛因斯坦的相對論提供了證明。

就像《星際穿越》的指導、理論物理學家基普·索恩所言：“通過發(fā)現(xiàn)引力波，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場探索宇宙那彎曲的一面的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測，正是這個旅程中第一個完美的范例?！?/p>

宇宙探索的下一個完美范例，會不會正在等待著未來的你去探索、去發(fā)現(xiàn)？我們拭目以待！endprint