星际穿越物理知识

　　星际穿越物理知识推荐文章1：《星际穿越》的物理知识没看懂？科普达人严伯钧要“让物理流行起来”

　　文/羊城晚全媒体记者 何晶

　　诺兰导演的电影《星际穿越》最近重返大银幕，这部充满了天文物理相关知识的电影，让部分观众感叹“物理学不好，电影都快看不懂了！”

　　比如说，为什么电影中的男女主角到黑洞边的行星考察了3小时，回来后发现飞船上等他们的人居然等了20年？为什么去到不同的星球，相对地球上的时间又不一样？科普达人严伯钧最近在上海的一场签售会上，给现场读者答疑解惑。

　　严伯钧毕业于香港科技大学，取得物理学与数学双学士及物理学硕士，又前往布朗大学攻读固体力学博士。在他看来，绕开复杂的数学计算，用通俗的语言也能解释最核心的物理思想。“高深的物理学知识，经过拆解，其实甚至可以不用数学就可以讲解得明明白白。因为大道，其实至简。”

　　严伯钧的科普讲解简明、生动、风趣，用他的话说，就是“让物理流行起来”。出于这样的理念，严伯钧写了一本物理科普书《六极物理》。该书由接力出版社出版今年5月出版后，3个月就已加印3次。什么叫六极物理？严伯钧认为，把环境参数调到极限，让物理学的现象变得明显，就能帮助普通人看到物理学的神奇。他引入了极快、极大、极重、极小、极热、极冷6个极限概念。在《六极物理》的“极快篇” ，他讲述爱因斯坦的狭义相对论，当运动速度接近光速时，会发生什么。这能够解答电影《星际穿越》中关于时间的问题。

　　|羊城晚?羊城派

　　责编|邵梓恒

　　审签|魏礼园

　　实习生|李紫媚

　　星际穿越物理知识推荐文章2：如何在不懂物理学的前提下看懂《星际穿越》的几个地方?

　　在“你TM怎么还不出来？”的声音中，《星际穿越》终于迟迟上映，诺指导再次称霸银幕，放映完后没有人起立鼓掌，因为全TMD在跪着，一半是跪太好看了，另一半跪着不起来是因为没看太明白。

　　我的朋友李道士和袁老板首映后纷纷问我：是挺好看的，但是穿来穿去是闹球呢？

　　提前说一句，别挑这电影的理论错误，除非你比Kip Thorne还厉害。

　　作为一个科幻电影，维度的概念首先我们要明确，不然看啥啥不懂，才疏学浅，难免有错。

　　要是实在看不懂，后面有结论，请翻。

　　一维数轴，二位平面，三维立体，这是我们初中学的常识，而我们是三维生物，活在四维空间里。

　　当然三围生物是女人，这事儿按下不表。

　　四维是什么？你可以理解为时间的走向，也可以理解为事情发生的顺序。实际上“时间”这个东西是我们自己定的，完全不符合科学定义，不过你要这么理解也无所谓，反正好理解。

　　坐标系都学过吧？初中时候画的。二维就是两条，X,Y；三维就是三条,X,Y,Z。我们是三维的生物，在Z轴上拱来拱去，你现在就只能看到X和Y轴了，也就是说，你看到的东西，是平面。

　　为什么呢？你在Z轴上过日子，你站在Z轴的任意一个点放眼望去，当然看到的是X和Y轴了。Z轴上有好多好多个点，每个点你放眼望去，都是平面。

　　要这样还不理解的话给你再举一个例子：你是个二维生物，不是说你是个二次元。你的世界现在只有两条轴了：X,Y。假设你今天站在X轴上一个点，你放眼望去，只能看到沿着这个点和X轴垂直的，和Y轴平行的一条线。

　　这个概念我们清楚了，我们开始说多维——也没多复杂，说两三个维度就可以了，足够你明白这个电影了。

　　最简单的理解方法：假如你觉得四维空间是三维加时间，现在四到六维度里，多出来的维度就是一到三维的时间；四维里时间是一维的；五维里，时间是二维的，六维里，时间是三维的。

　　我们是三维生物，那么四维生物是什么？

　　四维生物说难听点就是凭特异功能算命的，你可以看到你已经决定的的未来，但是是单线的，且无法改变。

　　五维生物看到的是第四维上发生的所有事情，看到了一个人的所有选择、以及这些所带来的所有结果。

　　看没看过《黑衣人3》？这里就不黑贾秀琰了，记不记得里面有个戴帽子的男人？周围一发生什么事情，他就会根据这个事情知道接下来的结果，这就是因为他是个五维生物。

　　还有个例子，《蝴蝶效应》。本片男主角清楚在某个时间里他的所有选择带来的所有结果，因为你站在五维上，你能看到一切四维上的一切。

　　于是，在第五维上，你可以沿着四维移动，改变四维的选择，让它向你想要的结果上行进。但你得等待这个行进的过程，无法直接到达结果。

　　这就是本片最后马大少和Tars掉进的那个空间——马大少看到了女儿房间沿着时间发生的所有事情以及相应的选择，他选择去某个时间段改变当时的选择，让整个世界朝着他想要的结果发展。

　　童年的女儿破译了“STAY”，因为马大少此时知道一切都是假的，全是谎言，打算让女儿劝住他不走。但随后Tars说你个二逼这事儿简单了我们现在就在这个洞里所以有数据了那个JB方程完美解决了世界得救了你赶紧给我传回去，于是马大少继续沿着时间轴传达信息，导致最后女儿为帝国立过功，在少妇阶段挥舞稿纸大喊尤里卡。

　　在这里，马大少改变了选择后，五维空间坍缩，马大少被抛出去了，实际上在五维上你改变了选择后，你还得等时间的流逝，但是在这个空间里时间肯定不是按我们这个空间流逝的，所以马大少刚被抛出去救援的飞船就来了，实际上这短短的一会儿在我们的世界里已经是几十年。

　　后面的维度要了解一下，因为影片有个问题和这个相关。

　　第六维，如果是这个维度的生物，你不用像第五维上等待时间流逝，你可以直接到达结果。和第五维类似，但是第六维可以确保结果，因为如果是第五维上的话，你需要知道一个确切的时间点，在第六维上就不用。

　　第七维，从这里开始就是宇宙级，在第七维度的你可以改变宇宙规则了。当然，这是程序员的维度。

　　第八维，宇宙就是你的，第七维你只能改变规则，第八维你能改变宇宙。

　　第九维，宇宙已经不仅是你的了，你还可以直接让宇宙跳过进化期直接进入繁荣期。

　　第十维，没啥能力，但是你比谁都牛逼，以为前面九维在你看来已经成了一个点了，你一擦除，就创造了虚无。

　　下面第二个问题，为什么马大少在天上飞，女儿在地上岁月催?

　　这就牵扯到相对论，说相对论就得说惯性系。

　　光的速度是永恒不变的，记住这个，无论观测者和光源做什么运动，光的速度永远不变。具体就不解释了，懂的肯定懂，不懂得我写两千字估计还是不懂——况且懂了也对理解这个片子没什么用。

　　所以先看一个公式，假设马大少在天上飞，女儿在地上追。根据时间效应的公式：

　　T=T0/(√1-(v^2/c^2))

　　T0是飞船上经过的时间，T是我们站着的这个世界经过的时间。

　　可以看出来，V越接近C，分母就越小，我们现在站在这个世界上，T是不变的，所以飞船上经过的时间比我们慢得多。飞船越接近光速，他们相对于我们的时间越慢。

　　假设一个飞船现在以一半光速的速度行驶，最后T0=0.87T，也就是说地球上过了一天，飞船上只过了0.87天。

　　但电影里有一句话，飞船以非常贴近光速的速度行驶，按99.9%算吧，结果明显一些。解出来T0=0.01414T，也就是说地球上过一年的话，飞船上只过了五天。

　　当然真正所说的近光速99.9后面还有一串9，你得自己按计算器去。

　　没错，这个问题说完了。

　　现在要说另一个：黑洞，为什么长这怂样儿？

　　不要以为《星际穿越》里的黑洞长那样是给你胡来，实际上，这个黑洞估计是有史以来最棒的模型。为什么？因为理论支持者是Kip Thorne，这人是谁你自己搜，反正基本就是最伟大的黑洞大师之一，这个黑洞的样子可是三十个人加上好几千台电脑一年的工作结果。

　　这是电影里的黑洞：

　　

　　这是计算机模拟时候的黑洞：

　　

　　黑洞为什么长这个样子？因为黑洞的引力非常酷炫，什么都能给你吸进去，某老不正经物理学家曾经提出了一个名字，叫做“白虎黑洞”，还遭到其徒弟费曼的批评，这事儿我就不细说了……

　　黑洞引力非常大，导致靠近它的光线都会扭曲，甚至是时空。KIP给了几个公式，谈了谈，最后这帮人重新写了个渲染器，弄了800TB的数据，弄出来了个这玩意……

　　大家的反应：漂亮。

　　KIP的反应：真实。

　　反正科学家都这么酷炫……

　　下面说几个和电影剧情相关的地方：

　　1.怎么才能拯救人类？

　　答案很简单：解开那个方程，然后模拟重力环境。派出去的几个人是因为老头子知道方程解出来其实跟屁都没有一样，因为缺少黑洞里的数据，”which is impossible for now”，所以派出去了十几个人。

　　一共有数据回来且看起来能住人的只有三个人：

　　Miller，被浪拍碎了，有人问那么浅得水怎么那么大浪，我觉得是潮汐力，当然本星球不适合忍住，Wes还给死了；

　　Mann，也撒谎了，星球不宜居；

　　最后是Anne的恋人Edmund，在片尾发现其实还能住。

　　马大少掉进黑洞后传回数据，方程完美被女儿解开，重力模拟成功，人类得救。

　　2.片尾安妮海瑟薇是在干吗？

　　答：执行Plan B，试图成为未来全人类的奶妈。

　　Anne不知道掉到黑洞里的马大少竟然活着而且还传回去了数据，以为人类已经灭亡，同时影片最后有一个石头堆着的小坟墓，写Edmund，也就是她的爱人。爱人死了，备胎掉进黑洞了，自己爹撒了四十年谎，这个星球凑合能住，是我我也Plan B。最贱的是，在美国，一种堕胎药就叫Plan B……

　　3.马大少老婆呢？

　　你问我干啥，诺指导哪部电影男主角没死老婆？

　　4.他们一直说的”They”到底是谁？

　　马大少透底说They就是他们自己。按照本片少女心的不得了处处向2001太空漫游致敬的德行来看，人类的科技一直在发展，甚至可以发展到更高维度，只要你科技水平到了就行，就像月亮上的黑石碑，一直在那，就等着发现。于是更高维度的人类、也就是他们自己，就这么来帮助马大少他们少受罪了。更高维度上存在平行宇宙，此时你可以理解为是比平行宇宙也就是第六维度更高维上的他们自己来帮助这个平行宇宙上生活在低维度的自己少受罪。

　　最后给大家详细捋一遍剧情。

　　全世界现在经历危机，全部北京化，沙尘暴，粮食减产，人类濒临灭绝。

　　前Pilot马大少现在是一个本该欢快的农民，却死了老婆，女儿声称自己房间有鬼，总有书啊什么的掉下来，马大少说别逼逼，相信社会主义。

　　有天刮大风，女儿窗户没关，马大少上楼一看，好嘛，地上一层灰，凹凸有致，最后醒悟这是二进制编码，破译出来是一个坐标，这一定是上天的旨意。

　　于是马大少独自驱车前往，半路发现女儿藏在车里，到了地方一看卧槽竟然是个军事重地，遂被抓。抓完发现我日竟然是NASA的秘密基地，竟然还有奶大臀翘的安妮海瑟薇。

　　基地老大声称人类即将灭绝，我们要去太空寻找适宜星球拯救人类云云，一共有俩办法：1是找到数据把我这方程解了，2是带这些受精卵去个合适的星球孵化了人类，最后说我看你骨骼清奇你就是驾驶员了。

　　马大少为了实现梦想当了美国好驾驶，回家和女儿闹翻，女儿说那个幽灵还给我留信息了，让你STAY。马大少给女儿留下一块手表，走了。

　　到了太空这几个怂货发现前面去的一队人马只发回来三个星球的数据，到第一个星球去一看，好嘛，那大哥飞船都碎了，正取数据一个滔天巨浪拍来拍死了队伍里最帅的男人。

　　然后现在剩俩星球了，数据来自两个人——一个是Anne的爱人，一个是最聪明的人，但燃料不够，只能去一个。Anne说要去爱人那里，马大少说去聪明的人那里。

　　到了聪明的Dr.Mann的星球将其唤醒，博士大哭说你们来晚啦，我等你们好久啦，这个地方可牛逼啦云云，实际一直在撒谎。

　　同时地球上女儿已经长大，和基地老大展开合作，发现老大演算40年的公式一直在尝试自我证明，也就是有个大BUG，老大不言不语滚草。临终前告诉马大少女儿这不是真的这都是梦，这四十年来我一直在我的谎言上摩擦摩擦，解开重力方程需要黑洞里的数据，但是which is impossible for now。

　　女儿把信息传给马大少，因为时间不同步，马大少才刚说了两句话就接到了这几年后的信息，于是只能找地方孵化了。曼博士刚好说这地方不错，俩人就一起去开发。

　　结果曼博士只是在骗人来救自己，这星球就是个JB，于是尝试将马大少弄死后独自走人。不料马大少被挂上点燃后丝血求生成功，同时留在基地里的黑秃子因为手贱被炸死。

　　二人尝试阻止曼博士闪现逃走的行为，结果曼博士不听队友劝伤害输出瞬间爆炸作死自己，马大少强行对接成功救走自己和Anne。

　　现在问题来了：燃料快没了，这咋办啊？马大少决定把Tars机器人扔出去，根据牛顿第三定律加上黑洞的引力完成最后的助推，结果Tars扔完了以后Anne发现马大少把自己也给扔了，不禁热泪盈眶。

　　马大少穿过黑洞后发现来到了五维空间，看到了曾经的一系列事件和对应的结果，悔不当初，于是给女儿留信号STAY，试图让自己留下来不要干这坑逼事情。

　　此时Tars声音响起说你个二逼我们现在就在里面这不是有数据吗，人类有救了，马大少一拍脑袋说顶楼主，楼主说的对啊，于是将数据转化为摩斯码，通过秒针的颤动传送给成人以后的女儿，女儿拿到数据解开方程，拯救人类。

　　随后黑洞坍缩，马大少和Tars被甩到外面，闭眼，此时其实地球上已经过了好多年，马大少闭眼前，后面有飞船灯光闪烁，救起了马大帅。

　　马大帅苏醒得知自己已经一百二十四岁高龄，不仅竖起大拇指感叹666666，望向窗外发现这是一个已自己女儿命名的巨大的空间站，具有和地球一样的引力，看来自己女儿是成功了。此时女儿已经垂垂老矣即将跪地，临终前给自己爹说你去找Anne吧。

　　马大少发现自己真爱原来是Anne，偷了个飞机去找。最后镜头一转，Anne以为人类灭亡，在最宜居的最后一个行星、也就是被她爱人发现的那个上面一个人在爱人坟墓边默默执行Plan B，试图让人类的火种传承下去。

　　影片完，马大少的征途是星辰大海。

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　　星际穿越物理知识推荐文章3：聊一聊《星际穿越》中的科学知识吧

　　 1、枯萎病有可能产生吗？无人飞机、拖拉机的导航故障是什么原因？

　　首先，《星际穿越》的背景很费了该片的科学顾问基普·索恩（美国物理学家，当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一）一番心思。作为物理学家，索恩自然不是生物学/环境专家，为了保证“植被大量枯萎”这一假设有科学依据，他准备了美食请来加州理工学院的一大波相关教授，其中包括1975年诺贝尔医学及生理学奖获得者戴维·巴尔的摩（David Baltimore），组织了一次两个多小时的讨论会。

　　1、《星际穿越》剧照：枯萎病爆发的地球，只能种玉米

　　专家们表示，虽然目前地球上不存在这种可以灭绝整个植物界的枯萎病，但是假如有某种病原体专门欺负叶绿体的话，那还是可能的。总而言之，这种枯萎病造成大量粮食减产和地表荒漠化，也就带来了片中地球上无处不在的沙尘暴。

　　另一个重要线索，也是令人类勇敢踏上外星之旅的，就是NASA观测到的引力异常。这种引力异常使布兰德教授相信引力是可以被操纵的。只要他能从理论上解决这个问题，人类最终可以通过操纵引力大规模离开地球，去新的宜居星球定居。

　　值得一提的是，影片中出现的导航故障（军方无人机，库珀家的无人收割机）并不一定是磁场紊乱的结果，倒更像是引力异常的直接效应：GPS卫星为了保证精度在计算导航数据时必须考虑地球引力对时空的影响，如果引力异常，原先的算法自然无法保证导航的正常工作了。

　　2、诺兰团队拍《星际穿越》的副产品：顺手发学术论文

　　基普·索恩是当代广义相对论和黑洞物理的顶级大师，在此向大家强烈推荐他的名著《黑洞与时间弯曲》。索恩对本片的剧本创作贡献很大，他还拉着诺兰的弟弟乔纳森去加州理工学院学习了广义相对论，诺兰本人则去了SpaceX，即太空技术探索公司感受了造火箭的气氛。（SpaceX：该公司曾放出豪言，2100年要主宰太阳系）

　　基普·索恩

　　值得一提的，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授亲自写的，他还为片中布兰德教授的理论创造了几个有物理含义的变量。这样的创作实践，不仅仅在电影界，在科学界也是前所未有的。《星际穿越》上映前后，“诺兰的Group”会至少发两篇论文，一篇黑洞物理，一篇计算机图形。论文如何我们暂且不管，先聊聊《星际穿越》的重头戏，虫洞和黑洞。

　　3、为何主角们在虫洞里只能接收信息，从未向地球发送信息？

　　这是刻意的情节安排，往回发送信息的速率低。

　　那个在土星附近，连接太阳系和外星系的虫洞，无疑是本片最大的亮点。

　　虫洞作为爱因斯坦的广义相对论框架下时空的一个可能解，早在上个世纪初就被从理论上给出过。只是当时没人在意，直到1930年代被爱因斯坦和罗森再次“发现”（他们也不知道之前就有人解出来过）。这种可以在三维空间里制造“时空跳跃”的结构，被称为“爱因斯坦-罗森桥”。但是根据广义相对论，如果没有特殊手段维持虫洞，虫洞的寿命几乎是0——刚刚形成的超时空连接会在瞬间断开，这个瞬间短到哪怕光也来不及穿越。

　　《星际穿越》剧照：虫洞

　　在《星际穿越》中提到，这个虫洞是”They”放置在那里的，按照基普·索恩的解释，这种超级文明可能是通过高维空间打开了这个通道，无论如何，这种保持开放的虫洞具有和黑洞不同的性质：它不存在所谓奇点，也不需要多少质量，也没有类似黑洞的“视界”：它的大小取决于通道本身的宽度，当然由于通道周围也会有一点时空弯曲，依然能看到类似黑洞的引力透镜效果。虫洞看起来啥样主要取决于它另一端在哪儿，就像一个远程鱼眼镜头。把图像呈现在它的球形表面通道的“长度”越长，我们看到的图像就越扭曲，所以电影里的是一个通道较短的“短脖子”虫洞。

　　虫洞能够穿越时间的示意图

　　影片中的虫洞虽然是双向的，但是主角们穿越之后似乎从未向地球发送信息，而是只能接收。和系里的美国同学讨论之后，我们认为这是导演为了情节的刻意安排，而影片里的解释是往回发送信息的速率非常之低，比拨号上网还要低好多倍……

　　4、电影里对黑洞的表现如何？

　　近乎完美，超越了目前最卓越的科研成果。

　　《星际穿越》剧照：黑洞

　　《星际穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘，具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating）。大家知道，如果这个盘是个整体的话（不同半径角速度相同），那么越到内侧盘的线速度应当越来越小，但实际上在引力作用下，盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动：轨道越低（内侧），线速度反而越大，这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物质是在相互“滑动”的，这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。

　　于是，大多数时候，我们看到的黑洞是如下图这样的。

　　资料图

　　当然，我们还知道黑洞本身不发光，引力会弯曲空间，于是我们看到的黑洞还是这样的：

　　资料图

　　这是几天前的APOD(NASA发的天文每日一图)，计算了黑洞对后部星系图像的弯曲。

　　但是如果我们走的够近，黑洞也能弯曲背面的吸积盘的光线，最终会看到什么样的图像呢？

　　这种事情搞天文的也关心，虽然我们没法从观测上直接分辨吸积盘的内部细节，但是这个会影响观测到的光谱（也就是能量分布），这种事情，搞模拟的也不是没算过，但是他们的结果，差不多是这样的：

　　资料图

　　这里颜色代表光谱/能量的频率移动，蓝色代表频率变高，红色代表变低，同时考虑了引力红移（光子逃离引力束缚会消耗能量，于是变红）和多普勒红移（严格来说是包含了狭义相对论效应的多普勒红移）。图上的这个盘是逆时针旋转的，所以它的左侧朝向我们移动，光子能量变高，会显得更蓝一些。

　　这个图像如果太Q的话，好一些的会是这样的：

　　资料图

　　右下角的图形代表能观测到的能谱，由于相对论聚束效应（朝向观察者运动的光源不仅会变蓝，也会更亮，因为观察者在单位时间内会接收到更多的光子，反之则会变红变暗）的存在，能量会向高能区集中。

　　也许你注意到了，电影里似乎没有出现多普勒频移的效果（也就是一边红点一边蓝点），不过我倒是找到一张《星际穿越》特效团队的设定图。

　　《星际穿越》剧照，特效设定图

　　注意这些不同的色块，代表了这些区域可观测的温度/能量，红色代表最大红移，接近内侧的黄色主要是引力红移导致的。所以吸积盘从视觉上看应该是左侧（朝向我们运动）亮而且发蓝，右侧暗而且发红。

　　《星际穿越》的特效部门刻意舍弃了这些效应而让观众更易于理解，不过我觉得如果肉眼直接观测的话，由于这些区域的能量范围非常广（从高能的x射线到低能的红外波段），而且能量密度极高（也就是很亮），即使红移之后对肉眼来说还是太亮，如果没有类似“墨镜”的装置（实际宇航服的面罩会有各种防止高能辐射的镀膜），所以我们依然可能看到的差不多是一个均匀的光带。（就像理论上太阳外侧会比中心部位暗一些，但现实中你也看不出来，而吸积盘的亮度太阳完全不能比）。

　　不过《星际穿越》超越这些科研成果的地方在于，基普·索恩的推导加上高精度的模拟，最终能看到的不止一个吸积盘——上面这张设定图比较清楚，背面的吸积盘像不仅从黑洞“上面”绕射过来，同时也会从“下面”绕过来。而正对观察者一侧的吸积盘下部的光，则会绕黑洞3/4圈之后再次出现在我们的眼睛里（就是黑洞上部紧贴它的那条亮线）。这只是绕黑洞圈数较少的光线的像，剩下的像会更加接近黑洞视界，所以难以看清。

　　当然影片中的黑洞也不是完全没有问题，除了没有体现出狭义相对论的红/蓝移效应，没有壮观的喷流（jet）也是个缺憾。

　　资料图

　　物体在落入黑洞时除了粘滞生热，还有很大一部分能量以喷流的形式放出，这种喷流在超大质量黑洞中非常普遍，尤其是存在于宇宙极早期的天体：类星体（之所以叫这个名字是因为距离太远看上去只是一个点，但是光谱又和恒星相差甚远）中。这些天体以超大质量黑洞的吸积为动力，在极小的空间内（几个太阳系大小），辐射功率可以远超整个银河系。可惜目前这些类星体们应该都只剩下一个孤零零的黑洞，经过数亿年的吸积，周围的气体物质可能早就消耗殆尽，喷流也不复存在，这倒可以解释影片中这个看上去“柔和”的黑洞，而且，由于黑洞保留了吸积盘的角动量，也可以解释后面将要提到的黑洞自转。

　　5、米勒星球的巨浪是怎么形成的？

　　是受黑洞的潮汐力影响产生的，并且可能有海啸的成分。

　　《星际穿越》剧照：初登米勒星球，浅浅的海水

　　电影里着陆的第一个星球是米勒星球，相信看过刘慈欣的科幻小说《海水高山》的同学会非常激动的。千米级巨浪很好地诠释了“排山倒海”的气势。这么高的浪是怎么来的？一个比较自然的解释是来自黑洞的潮汐力。（引力在星球不同部分的差，减去星球本身的加速度产生的惯性力之后，会在星球靠近/远离黑洞的两端产生拉伸的作用，譬如地球的潮汐就主要来自月球的引力）

　　我按照非自转黑洞的情形做了一个估算，如果星球质量和地球相等，浪高是1km的话，星球只需要呆在离黑洞中心20个天文单位就行了，这个距离上，黑洞的潮汐力远不会达到把星球本身撕碎的水平。

　　《星际穿越》剧照：如山的巨浪

　　不过影片中的浪来势之凶猛，形态之突兀，远不像一般的潮汐。在地球上，由于地形限制，潮汐有时候可以达到5米级的高度（例如钱塘江入海口的喇叭口造型），也许我们的主角们刚好降落在某个峡湾当中，迅速收缩的海底地形把平和的潮汐给“挤”成了电影中陡峭的造型。

　　这个解释怎么看都缺乏足够的说服力，而且在这个距离上，黑洞的潮汐力会对星球产生“潮汐锁定”——潮汐力会把星球本身拉长成椭球，对星球的自转产生力矩：

　　这个力矩会把星球的自转角动量转化成公转角动量，我们看到的结果就是星球会远离黑洞一小点，但自转会几乎停下来。

　　但自转并非完全停止，即使是月亮，虽然总是一面朝向地球，但依然会有一些摆动，构成了月球天平动的一部分；类似的效应作用在我们的星球米勒上，带来的就是周期大约1小时的（来自基普·索恩在新书里的估算）滔天巨浪。另外，即使是地球本身也会在月球潮汐力的作用下发生形变，我们称为固体潮，最大形变幅度可以达到几十厘米。这点形变在米勒星球上会被放大很多倍：大规模的地壳运动意味着强烈的海底地震，随之而来的就是更加可怕的海啸。在地球上都能达到10米级高度的海啸放到地壳运动更加剧烈、又有黑洞强大潮汐力协助的米勒星球上，“海水高山”也不再只是导演的想象了。

　　6、米勒星球上的时间膨胀

　　另一个有趣的事实是米勒星球上的时间膨胀：1小时=7年。对于无自转黑洞（史瓦西黑洞）来说，想让时间减慢六万倍，行星的轨道半径只比黑洞视界半径大一百亿分之一：行星本身的直径就已经比这个它到黑洞视界的距离大了。另外一个更严重的问题是，对于无自转黑洞，最小的稳定轨道半径是黑洞视界半径的三倍，在这个距离上，时间只会比平时慢20%而已。

　　《星际穿越》留守母船的罗米利教授，库珀和艾米利亚从米勒星球回到母船时，时间已过27年

　　难道库珀看着孩子变得比自己还老的关键情节就一定不能成立吗？只要黑洞还在转，就没有解决不了的问题。索恩在新书里提到，如果我们的黑洞高速旋转（克尔黑洞），快到只比理论限制的最大值慢一千亿分之一的话，米勒星球就能既保证六万倍的时间膨胀，又维持在稳定轨道上了。只是这样一来黑洞的视觉图像会有很大的不对称性，为了不让观众犯糊涂，影片中的是基于60%的最大自转速率绘制的。

　　7、库珀如何驾驶母船逃离黑洞，去到第三个星球？

　　利用引力弹弓效应，使母船获得更多动能。

　　影片高潮阶段，库珀帮助艾米利亚（安妮·海瑟薇饰）逃离黑洞也很值得一说。经过坑爹的曼恩博士（马特·达蒙饰）一折腾，母船Endurance早已没有足以回到地球的燃料，甚至单靠自身动力也没法到达第三颗星球。

　　库珀决定手动操作飞船Endurance环绕黑洞旋转，进行一次gravitational slingshot：借助引力弹弓效应，让飞船Endurance获得更高的速度飞到第三颗星球。“引力弹弓效应”有点类似大车撞小车，如果小车比大车轻很多的话，大车只会损失一点点速度，而小车会以大车速度的差不多两倍飞出去。这里引力就起到了“撞击”的作用：把黑洞动量的一小部分给Endurance，让它获得更多的动能。

　　母船示意图

　　不过黑洞的引力的确太过强大，而且由于最小稳定轨道的存在，飞船Endurance 也差不多快落入不稳定区域了，这里库珀牺牲了自己和机器人塔斯TARS所在的飞船：先是用尽所有燃料为Endurance加速，后来又主动脱离Endurance减轻负荷——这的确会为艾米利亚进入第三颗星球的轨道减轻负荷，但并不会增加多少脱离黑洞的机会：连接飞船与空间站的爆炸螺栓只会产生很小的反冲，牛顿第三定律在这里只能给空间站一丁点的加速。

　　在这里，索恩解释，也许库珀本来的目的就是为了让自己进入黑洞：既然操作引力需要统一广义相对论和量子场论，而需要的数据只有在黑洞视界内部才能得到，那么，虽黑洞吾往矣，就来一次华丽的赌博吧！

　　8、库珀落入黑洞的过程是怎样的？他为什么没被撕碎？

　　稍微知道一点黑洞的观众可能知道，黑洞附近会有非常强的潮汐力，基本在你进入视界之前就被潮汐力撕碎，只是这一论断是基于恒星级黑洞的：譬如太阳如果坍缩成黑洞的话（其实太阳最终会变成地球大小的白矮星），半径只有不到3km，这时候视界表面和表面1m处单位质量（1千克）受到的引力差可以达到10的9次方牛顿，足以撕碎任何物体。但是本片里的超大质量黑洞，视界半径差不多达到了地球的轨道半径（1AU），在同样位置的潮汐力（引力差）不到十万分之一牛顿，这点潮汐力，库珀可能根本感觉不到。

　　落入黑洞的库珀和母船中的艾米利亚握手场景

　　对于库珀落入黑洞的过程，他自己是意识不到穿越视界的，因为从他的参照系看，视界并没什么特别，甚至依然可以接收到艾米利亚的信号。但是从艾米利亚的角度看，由于引力造成的时间膨胀，库珀到达视界需要无穷长的时间，库珀的影像会逐渐凝固在靠近黑洞表面的位置，然后逐渐变红变暗消失掉（其实光因为黑洞的引力会绕着黑洞转很多圈才跑出来），所以艾米利亚恐怕是看不到库珀到达视界的最后过程的。

　　9、五维空间中由书房组成的时间盒子是怎么回事？

　　超级文明的创造，是四维超正方体在三维空间的投影。

　　就在库珀从飞船中弹射出来不久，他落入了一个由他家书房组成的高维空间里。对此，基普·索恩的解释是这是一个四维超正方体在三维空间的投影。电影中的五维，实际上包含了时间这一维度，多出来的那个空间维，则是可以让库珀迅速回到太阳系的捷径。这里要提一下导演诺兰对“时间旅行”的设定，在这部电影里，一般来说我们是无法影响过去的，例如库珀没法从书房中跳出来和过去的女儿重逢，但是引力却可以成为影响过去的媒介。

　　诺兰在把高维书房可视化的时候参照了埃舍尔的画作《瀑布》

　　只能说这个盒子是超级文明的创造，并且这个文明把时间作为一个维度嵌入了立方体中。索恩认为这个超立方体是在奇点附近抓住了库珀并把他救起来，不过我觉得，因为对于地球来说库珀到达黑洞视界就需要无穷长的时间，如果之后的剧情在黑洞内部进行的话，对于地球都是无穷久之后的事情了，所以我倾向于认为这个超立方体存在于黑洞视界附近，在库珀到达视界之前就把他装了进去。

　　后面的一切就很好解释了：这个超立方体的一个“面”在三维空间中，实际上是一个有体积的空间，刚好和库珀家的书房重合（我们宇宙中相距百万光年，在高维空间里也许只有数米，从黑洞到地球瞬间就可以返回），而那个时间维度又可以轻松让库珀通过引力影响过去（譬如风沙落地的痕迹），最后通过引力操纵手表的指针，传递给女儿世界内部关于量子引力的关键信息，最终使得人类得以操纵引力离开地球——在我看来这一段是最煽情的：能够穿透不同维度的，除了引力，还有爱。

　　星际穿越物理知识推荐文章4：粉丝眼里的科学：详解星际穿越里的十大科学问题

　　

　　《星际穿越》作为一个热播电影，上映五天，在国内已经收获2.5亿元票房。从微博、微信的热议程度，我们看到社会化媒体对电影业的影响。这不，有粉丝来此发文力挺……先抛开星际物理知识正确与否、大家对演员的喜好，真不知这是好莱坞大片对社交媒体的成功运作？还是社交媒体和O2O的结合已经日趋成熟？

　　《星际穿越》堪称是几十年难遇的硬科幻经典巨著。黑洞、时空穿越、宇宙航行、第五维空间、星际空间站………无一不是GEEK们心中大爱，更逆天的是诺兰大神把这一切天衣无缝的衔接起来，让广大GEEK脑洞大开目瞪口呆阵亡脑细胞无数在脑力激荡酣畅淋漓的三个小时后，相信有很多入门GEEK和科幻小白们难以理解片中的种种情节设定和现象，为了造福大众拯救脑细胞，小可试着将十个较为普遍的问题用简单的语言解释一下，当然学识所限难免错漏，请各位大神指正。

　　问题一：黑洞就是电影里那个样子吗？

　　

　　只能说，星际穿越里的黑洞形态综合了各种考虑，给出了很合理的假设。展现给观众的是比较震撼的形象化的黑洞，但并非真正黑洞的展现形态。不过明亮耀眼的吸积盘倒是很符合现实。

　　问题二：米勒的星球为何水浅浪大

　　

　　简单的推论应该是米勒是经过探测后寻找水浅的地方降落的。但是因为该星球离黑洞近，受黑洞引力场的影响巨大（1小时=地球7年），故而潮汐能量巨大，所以能形成滔天巨浪

　　问题三：宇航员为何不和地球通讯

　　

　　对于在太空中和地面进行通讯来说，考虑到电波衰减和扩散，需要巨大的发送功率才能使信息被地球上的同伴接收，而飞船必须保证足够的能源储备，所以不能将有限的燃料浪费在日常通讯上。

　　这也是前期的十二个队员只会传回“是或否”来表明所到达星球是否适宜人类居住，而无法回传更多详细信息的原因。

　　问题四：库珀和塔斯掉进黑洞 为何没被撕裂

　　

　　这点也是诺兰比较难以自圆其说的一点。但是也可以这样解释：影片中表明，这是一个“温和的黑洞”，因为该黑洞质量相当于几亿个太阳，黑洞越大，分布越广泛就越稀薄，黑洞边缘的引力越小，顾库珀和塔斯没被撕裂，但是被卷进中心的飞船还是被撕裂了。

　　问题五：信息为何无法传出黑洞

　　

　　因为黑洞会吞噬一切啊，信息当然无法传出

　　问题六：塔斯为何又能将黑洞的量子数据传送给库珀

　　

　　因为塔斯处于未来人类在虫洞中建立的五维空间，所以他可以向库珀传递黑洞的量子信息

　　问题七：库珀在第五维空间是通过什么传递信息的

　　

　　毫无疑问，是通过引力传递

　　虽然他无法和处于三维空间的墨菲直接交流，但是可以控制引力操纵沙子布置、书本排列、秒钟走向来传递信息。

　　由此也引发出一个联想，易经中的预测学，根据卦象推测及根据生活中的细节推测未来事件，是否也是未来的我们或者有关联的人在背后控制着引力向我们传递着信息，而易经就是破译这些暗示的工具书呢？

　　问题八：Plan A和Plan B的关系

　　

　　Plan A根据最初设想，根本就是一个无法实现的目标，是作为Plan B的幌子存在的。但是因为实施了Plan B后，一系列的机缘巧合，让墨菲读懂了库珀在五维空间向她传递的黑洞量子信息，从而解出方程式，实现太空移民，间接实现了Plan A。只能说明，冥冥中自有天意啊！

　　问题九：未来人类为何不直接干预

　　

　　因为处于高维度的未来人类无法向低纬度的人类传递他们可以理解并执行的信息。打个比方吧，就像你俯视着迷宫里的蚂蚁，你知道走出迷宫的路径，但是你无法用蚂蚁的语言告诉它该怎么走，你只能制造种种机会指引蚂蚁走向正确的方向。可能比喻不够恰当，但应该就是这样一种感觉。

　　问题十：在库珀的历险过程中，只要有一个环节出错，人类将不可避免灭亡。为何他每次都能抓住机会，逃过巨浪、逃离曼恩、脱离飞船进行五维空间，人类未来多次命悬一线又总能化险为夷？

　　

　　这个问题只能用加措活佛的一本书名来回答《一切都是最好的安排》。

　　Geeker说

　　好了，那《星际穿越》这个故事告诉我们什么道理呢？

　　沙尘暴危害巨大，要赶紧治理，不然就要太空移民啦！

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　　星际穿越物理知识推荐文章5：影评：学点天文学 看懂《星际穿越》里的黑洞物理

　　时空从未如此让人感动，除了引力可以穿越不同的维度，爱也可以。

　　（末尾有微少剧透）

　　首先，影片中的黑洞作为题图。

　　说自己是伪诺吹，是因为我的确很喜欢他的电影，但又受不了一些过（度）解（读）狗对他的无限拔高（尤其是《盗梦空间》），而且很长一段时间里，我都不知道多年以前看过的《致命魔术》也是他的作品。而且由于《黑暗骑士》导致的对《黑暗骑士崛起》的过于期待，失望之余让我也觉得诺兰不过如此。

　　但我的怀疑在看完《星际穿越》之后彻底烟消云散了，诺兰的确是目前最具大师气质的导演，《星际穿越》也是目前所有电影里科学和艺术的最完美结合（不要和我提 2001 太空漫游，技术限制，科学上是完全比不上的）上次能让我如此震撼又如此感动的，也许还是多年以前的《肖申克的救赎》（有些电影的确很震撼，但缺乏感动）。

　　先谈谈我比较熟悉的科学部分：

　　题图里的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是周围物质在黑洞引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构。具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating），因为这个较差自转的盘不同半径的角速度不同（越到内部越大），物质互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。

　　于是，大多数时候，我们看到的黑洞是这样的

　　This Is What Happens When Massive Black Hole Gobbles Up Sun-Like Star (VIDEO)

　　当然，我们还知道黑洞本身不发光，引力会弯曲空间，于是我们看到的黑洞还是这样的：

　　APOD: 2014 October 26

　　这是几天前的 APOD，计算了黑洞对后部星系图像的弯曲。

　　但是如果我们走的够近，黑洞也能弯曲背面的吸积盘的光线，最终会看到什么样的图像呢？

　　这种事情搞天文的也关心，虽然我们没法从观测上直接分辨吸积盘的内部细节，但是这个会影响观测到的光谱（也就是能量分布），这种事情，搞模拟的也不是没算过，但是他们的结果，差不多是这样的：

　　这里颜色代表光谱 / 能量的频率移动，蓝色代表频率变高，红色代表变低，同时考虑了引力红移和多普勒红移。

　　这个图像如果太 Q 的话，好一些的会是这样的：

　　Visualization of the inner accretion disk around a Schwarzschild black hole

　　右下角的图形代表能观测到的能谱，由于相对论 beaming 的存在，能量会向高能区移动。

　　也许你注意到了，电影里似乎没有出现多普勒频移的效果（也就是一边红点一边蓝点），不过我倒是找到一张设定图：

　　注意这些不同的色块，代表了这些区域可观测的温度 / 能量，红色代表最大红移，接近内侧的黄色主要是引力红移导致的。而电影里我们看不到这些效应主要是这些区域的能量范围非常广，而且能量密度极高（也就是很亮），即使红移之后对肉眼来说还是太亮，所以我们看到的差不多是一个均匀的光带。（就像理论上太阳外侧会比中心部位暗一些，但现实中你也看不出来，而吸积盘的亮度太阳完全不能比）。

　　不过《星际穿越》超越这些科研成果的地方在于，Kip Thorne 的推导加上高精度的模拟，最终能看到的不止一个吸积盘！上面这张设定图比较清楚，背面的吸积盘像不仅从黑洞“上面”绕射过来，同时也会从“下面”绕过来。而正对观察者一侧的吸积盘下部的

本文标题：星际穿越物理知识