星际穿越解析(星际穿越免费高清完整版)

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2019年4月10日，“视界望远镜(EHT)”项目发布了人类拍摄的第一张黑洞照片。神秘天体终于露出真面目，这是证明黑洞存在的最直接证据，足以载入人类史册。

人类拍摄的第一张黑洞照片

诺兰2014年执导的电影《星际穿越》被很多人视为“魔幻电影”，或许是最接近黑洞的电影。

先简单回顾一下这部电影的主要情节:未来，因为食物的极度匮乏，人类将面临灭绝的风险。美国宇航局前宇航员库珀(Cooper)与同伴一起承担起“拯救人类”的使命，驾驶宇宙飞船通过土星附近神秘的虫洞探索最适合人类居住的星球。

在地球的这一边，NASA的老教授致力于解决“重力异常”的问题，为人类争取时间。库珀掉进黑洞，发现它以一种特殊的方式与女儿的房间“相连”。他通过改变重力向女儿传递信息。最后，库珀的女儿解决了老教授留下的难题，拯救了人类。我们再次见面时，库珀还年轻，女儿已经成了一百多岁的老人。

黑洞的中心:

宇宙中最狂暴最迷人的天体。

抛开电影的艺术成就，这部电影的成功很大程度上得益于它的科学设定。

《星际穿越》的科学顾问基普·斯特凡·索恩(1940—)是2017年诺贝尔物理学奖的获得者。他是一位美国理论物理学家，在引力物理和天体物理领域取得了巨大成就。(老人也在《生活大爆炸》中客串过，他和霍金是朋友。)所以这部电影的科学设定对很多人来说还是有些“硬核”的。

如果不能理解晦涩难懂的物理术语，那就用轻松的方式解释一下电影中的科学设定吧。看完了，也许重温一下电影也不错。

什么是黑洞？

黑洞是一个球形天体。如果一个天体有一定的质量但体积极小，或者有一定的体积但质量极大，可以使其表面的引力场强大到连光子(构成光的基本粒子)都无法从物体中逃逸，那么这就完全是黑洞的经典定义了。

黑洞模拟图

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离黑洞非常近的地方叫做“临界稳定轨道”。事实上，如果你越过这个临界轨道，你就会掉进黑洞。但对于那些远离它的恒星来说，黑洞并不构成任何威胁。

为什么在电影里？

人的年龄会有这么大差别？

牛顿的力学观点无法解释这个问题。我们需要简要了解爱因斯坦的相对论。

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如果我们有一个非常精确的时钟，我们会发现当速度不同时，时钟上的时间不会以同样的方式流动。速度越快，时间过得越慢。狭义相对论把时间和空联系起来，说明空和时间实际上是在同一个基本框架内，而空和时间没有本质的区别。

星际科学

从牛顿力学的观点来看，物体绕黑洞旋转或落入黑洞，仍然是引力造成的。但根据爱因斯坦的相对论，这些物体只是以“尽可能直”的轨迹穿过黑洞所弯曲的空。这个观点也可以解释行星围绕恒星的运动。

不要把万有引力想成一个力，而是空之间的变形，更准确的说是时间空的变形。

看一下上图:这是黑洞周围情况的模拟图。你可以看到，黑洞不仅像一个暗盘，还使周围的恒星空明显扭曲。

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证明爱因斯坦空也是“场”。它是一个东西，我们就像被放在膨胀的橡胶上。

也就是说，空不再是一个独立的实体:它是一个会因物体的存在而改变的物理量。

在黑洞表面，我们中学时学过的普通几何中的那些距离，现在可以变成无限长。但是，如果我们看一下时间的变化，可能会更容易理解:如果你把手表放在靠近黑洞表面的地方，当它走了一秒钟，在远处，比如地球，可能已经过去了几百万年甚至几十亿年。

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这也解释了为什么《星际穿越》的主人公库珀比较年轻，因为他去的地方，在空的时候因为黑洞的存在而更加“扭曲”。

人类真的可以依靠虫洞空旅行吗？

电影中，土星附近有一个虫洞。正是这个虫洞帮助库珀一行人在短时间内到达了另一个遥远的星系。虫洞真的存在吗？

《星际科学》的科学顾问基普·斯特凡·索恩

星际虫洞

假设虫洞存在，它们连接不同的宇宙。这条连接不同世界的通道被称为“爱因斯坦-罗森桥”。这些桥梁的存在不仅是不确定的，而且很可能是不稳定的。如果是这样，没有任何东西可以穿过它们，只需要一个粒子就可以“关闭”虫洞。

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但是穿过虫洞仍然是一个非常有趣的理论可能性。科学家们建立了两个基本的黑洞模型，一个是静态不带电的史瓦西黑洞，另一个是旋转带电的克尔黑洞。如果落入第一种黑洞，无疑会撞上黑洞中心的奇点，被无情摧毁。但是如果我们不小心掉进了第二种黑洞，情况就变得有趣了。在第二种黑洞中，奇点变成了一个像环一样的环。所以理论上，我们很有可能穿越奇点，穿越爱因斯坦-罗森桥，成功到达另一个世界。我们的虫洞之旅成功了！

但这只是广义相对论中一种可能的理论解，并不能保证它们会存在于我们的世界中。大象那么大的蚂蚁不违背物理定律，但它并不存在。虫洞非常吸引人，但是没有明显直接的证据证明它们确实存在于宇宙中。

虫洞存在的可能性很小。

那人们是怎么证明黑洞存在的呢？

首先黑洞是科学家计算出来的一种可能性，然后证实它确实存在。

直接观测我们银河系中心的黑洞，就像看到几千公里外的一道美味佳肴。这很难，但我们可以从三个方面来观察。

首先是观测在银河系中心附近游荡的恒星的运动轨迹。我们可以看到(当然，我们仍然使用光学望远镜来观察这一切)和研究恒星围绕银河系中心的轨迹，我们可以精确地计算出它们周围物体的质量和位置。这完全在基础物理的控制之下。我们在恒星轨迹中观察到的是一个巨大的物体，它有着巨大的质量，大约是太阳质量的四百万倍。但它非常暗(因为我们“看到”它时可以清楚地观察到其他恒星)，而且非常小(恒星经过它时没有明显的直接接触的痕迹)。很明显，这就是黑洞的特点。

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检测黑洞的第二种方法是:黑洞会吸收周围的物质。在这个过程中，这些巨大的物质就像一个巨大的光盘，光盘的中心就是黑洞本身。所以可想而知，这会导致这张CD上产生非常剧烈的摩擦现象，摩擦会使材料上升到非常高的温度。这样我们就能看到它发出的X射线。

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第三种探测黑洞的方法是观察气体束。因为黑洞周围有大量的物质，所以有些黑洞非常“活跃”。它们可以释放出强烈的气体束，成为宇宙中最亮的物体……这些气体粒子束不从黑洞里出来，这是不可能的。造成这种现象的原因是磁场，磁场实际上是几乎所有天体物理过程中最基本的现象。当粒子围绕黑洞的大吸积盘旋转进入黑洞时，部分粒子在进入黑洞前会被磁场甩出，形成巨大的喷流，我们的望远镜可以观测到。我们称之为类星体。它的强度如此之高，以至于在130亿光年外的地球上都能观测到。

如果你掉进黑洞

会发生什么？

就黑洞而言，它的表面只能用数学来纯描述，根本没有物质性。在进入黑洞的过程中你不会感觉到。当我们进入黑洞时，不会有任何冲击或碰撞。

星际落入高维空。

就好像你是瀑布急流前的一条鱼。根据自然规律，当你接近瀑布时，水的速度会逐渐增加。即使你以最快的速度逆流而上，也难逃被水流冲进瀑布的命运。当你被直冲向黑洞中心时，这种“不归”效应同样适用。但是鱼，也就是你，在这个过程中没有察觉到任何异常。

但在这个过程中，会出现“潮汐效应”。想象你头朝下跳水，那么你的头会比你的脚更有吸引力。所以你会感到有些拉伸。

星际科学中潮汐效应的论证

对于密度极低的大质量黑洞来说，外界的潮汐效应可以忽略不计，因此在穿过它们的视界并继续在其中穿行后，它们可能不会受到长时间的伤害。相反，对于高密度小质量黑洞，潮汐效应可能会变得如此强烈，你甚至可能会死在视界之外。这次旅行可能在你到达黑洞之前就提前结束了。

本文节选自

黑洞的中心:宇宙中最暴力和迷人的天体

奥梁海·巴罗

参考视频:星际中的科学