星际穿越:现实比电影更精彩

The Science of Interstellar Book Cover The Science of Interstellar
Kip Thorne
W. W. Norton & Company
November 7, 2014
336

A journey through the otherworldly science behind Christopher Nolan’s highly anticipated film, Interstellar, from executive producer and theoretical physicist Kip Thorne.

作者:汪婕舒 | by Jieshu Wang

今天要推荐的书是:The Science of Interstellar by Kip Throne(《星际穿越》中的科学)

– 关于作者 –

本书作者基普·索恩(Kip Stephen Thorne,1940年6月1日~ )是美国理论物理学家,就职于加州理工。他也是《星际穿越》的科学指导和执行监制。他在30岁时就成为了加州理工历史上最年轻的正教授之一。他和斯蒂芬·霍金、卡尔·萨根都是很好的朋友。

Kip Throne

索恩在1994年写过一本非常棒的科普作品《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》(Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy),介绍了黑洞理论在二十世纪的起源与发展。这本书被湖南科技出版社引入国内,作为著名的“第一推动”丛书之一。

– 关于本书 –

一开始,本书讲了《星际穿越》这部电影的来历。它起源于卡尔·萨根出版于1985年的一部科幻小说《接触》(Contact)。

《接触》封面

萨根的小说里,主人公通过一个黑洞进行了远距离穿越。他对这部分很不确定,求助于索恩。索恩认为通过黑洞来旅行太不可能了,于是建议他修改为虫洞。后来,这部小说拍成了电影,获得了1998年雨果奖。也是这次合作,让索恩产生了念头,要拍一部关于虫洞的电影。

当时,萨根为已离婚的索恩介绍了一个女朋友,叫琳达。索恩和琳达发现和对方相谈甚欢,但实在不适合结婚,于是两人成了好朋友。正好,琳达是一个电影制作人。索恩向她提出自己想拍电影的念头时,一拍即合,共同构思出一个关于虫洞、黑洞、高维空间的电影脚本。十几年中,历经几换导演(包括斯皮尔伯格),终于敲定了由克里斯托弗·诺兰导演,乔纳斯·诺兰编剧。又为了克里斯托弗的档期,等待了好几年,终于拍成了这部让科学家和大众都同样期待的精彩电影。

索恩讲述了自己与诺兰兄弟、双重否定视觉效果公司一起反复切磋电影视觉效果的过程。接下来,他开始从各个方面讲述自己对《星际穿越》中的科学的理解。包括卡冈图雅黑洞为什么是那个样子,地球上的枯萎病是怎么讨论出来的,虫洞是怎么回事,米勒行星上为何有巨浪,库珀如何从四维时空到了五维空间……不仅能让你回忆起电影中的精彩片段,还让你不知不觉了解到非常前沿的科学知识,这就是一道电影+科学的超级大餐。

当然,《星际穿越》也受到了很多批评。许多人指责电影中不符合科学原理的地方,比如说既然米勒行星被潮汐锁定了,为什么会有铺天而来的巨浪?如果你看过本书,将明白为什么会出现这些瑕疵(有的质疑其实根本不是瑕疵)。

接下来的内容,是我从本书中总结出来的,索恩向诺兰妥协的部分。

下文《星际穿越,现实比电影更精彩》已发表在《Newton科学世界·数字版》星际穿越专辑。如需转载,请联系杂志社。


《星际穿越》一上映就引起了轰动,号称史上最科学的科幻电影。虽然好评不断,但也有许多科学爱好者向科学指导基普·索恩提出了质疑,认为电影中有很多地方不符合科学。针对这些质疑,基普·索恩在《星际穿越的科学》(The Science of Interstellar)一书中做出了一些解释,但他也不得不承认,为了实现导演克里斯托弗·诺兰的要求,他放弃了许多科学。

索恩说,如果完全按照科学,许多镜头应该比电影精彩震撼一百倍!可诺兰却放弃了它们。这是为什么呢?一起来听听索恩如何吐槽诺兰。

1、永恒号上看到的黑洞被缩小了400倍

永恒号停在轨道上

电影刚开始没多久,库珀一行人去拜访米勒的行星时,永恒号飞船停在一个较远的轨道上。用库珀的话说是“沿着一条平行于米勒行星、距离黑洞较远的轨道运行”(So we track a wider orbit of Gargantua, parallel with Miller’s planet but a little further out.)这么做的原因是为了避免出现过大的时间膨胀(“out of the time shift”),这样永恒号与地球的时间流逝就不会差得太远。

为了实现这个目的,基普·索恩将永恒号的轨道定在5倍卡冈图雅半径的地方。从这里,库珀一行乘坐漫游者小飞船前往米勒的行星,正好需要2个半小时,非常符合诺兰对情节的要求。

然而,假如永恒号停在这个位置,那么从舷窗看到的卡冈图雅黑洞将巨大无比。黑洞的角距离大到50°,占据了永恒号的小半个天空!太壮观了。但是,诺兰认为,在电影刚开始不久就演出如此壮观的景象,不符合情节推进的节奏。因此,他决定,将黑洞的直径缩小了20倍,角距离缩小到2.5°,大小约等于从地球上看到的月亮的5倍大小。

这个缩小的黑洞已经引起了电影院的惊呼声。于是,你可以想象一下,如果按照真实的比例,它将多么震撼人心。

2、米勒行星看到的黑洞被缩小了300多倍

从米勒行星大气层看到的卡冈图雅黑洞

在电影里,库珀一行人乘坐漫游者小飞船从永恒号出发,前往米勒的行星。在即将进入大气层时,我们看到卡冈图雅黑洞出现在地平线的远方,周围笼罩着发光的吸积盘,角距离约有10°,比地球上看到的月亮大20倍!这一幕,让许多观众惊叹不已。

然而,如果按照索恩的设定,这里看到的黑洞应该更大,而且大得多!

我们知道,米勒行星上的时间比地球上慢很多,1小时相当于地球上的7年,因此它被基普·索恩设定在距离卡冈图雅黑洞很近的地方。但如果它真这么近,那它会深陷到黑洞周围极度扭曲的时空中。从米勒行星看卡冈图雅,就像从一个圆筒中望向出口一般,一端是黑洞,另一端是外面的宇宙。因此,卡冈图雅的角距离应该为180度,盘踞着整整半个天空!

想象一下,这幅画面是何等的壮观!

等等,还有更壮观的!由于米勒行星是距离黑洞最近的稳定行星,因此,它应该位于黑洞的吸积盘之内(如下图所示)。

这样,当库珀一行靠近它时,他们看到的景色应该是这样:抬头看,巨大的黑洞吸积盘,像一条奔流的大河,暴风骤雨般席卷着无数高速粒子,发出耀眼的光芒;低头看,脚下是黑洞那无边无际的阴影,像一个无底的深渊,无声无息却仿佛充斥着振聋发聩的呐喊,揪着你的心往下坠。

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这,才是最符合爱因斯坦理论的黑洞形象。

然而,如果诺兰完全按照爱因斯坦的理论,将完全打乱电影的节奏——电影刚开始不久,就让观众看到如此震撼人心、一生难忘的镜头,足以刺激整个影院的肾上腺素,使电影过早达到高潮,后面的镜头将显得平淡无奇。因此,诺兰决定把这样的壮观场面留给到最后,而在这里把卡冈图雅黑洞缩小到仅有月亮20倍的大小,面积足足缩小了300多倍。

3、虫洞被诺兰拉长了!

电影中,NASA的科学家发现土星旁边出现了一个虫洞,通往宇宙的另一边。这个虫洞看起来像一个巨大的水晶球,清澈透明。透过它,能看到虫洞另一边被微微扭曲的景色。永恒号进入虫洞后,仅航行了几分钟时间,就到达了上百亿光年外的地方。好完美!

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虫洞清澈透明的外表

可是,索恩不这么认为。在索恩的设定里,虫洞清澈的外表和穿越虫洞的时间,是一对矛盾。为什么会这样呢?

索恩为虫洞设定了三个参数:半径、长度和透镜宽度。如果用二维来模拟我们的三维世界,就是这样,如下图所示。

虫洞的半径决定了它的大小,长度决定了永恒号在虫洞中航行的时间,而透镜宽度决定了另一边传过来的光线的弯曲程度,也就是它的外表。

为了让地球上的望远镜看得到虫洞,也为了视觉效果,诺兰要求索恩把虫洞半径设置为1公里。同时,索恩设定了它的透镜宽度,类似于一颗不旋转的黑洞视界的周围空间。可是,在确定虫洞的长度时,索恩却遇到了麻烦。

根据爱因斯坦的理论,索恩建立了模型。假设在虫洞的另一端,视野的右侧有一个物体。索恩发现,如果虫洞很短,那么虫洞的右部将出现一个被扭曲的像(如下图1),称它为“像1”。在虫洞的左侧边缘,会出现一个极其纤细和扭曲的像,称为“像2”。如果虫洞的长度持续增加,那么像1和像2都会向虫洞中心移动,但像1会逐渐缩小,而像2会逐渐变大(如下图2)。如果虫洞的长度继续增加,那它们会继续往中心移动,同时在边缘又会陆续出现像3、像4、像5……(如下图3)。也就是说,虫洞越长,成像越复杂,就像啤酒瓶底一样,一环扣一环。

其中,像1是由路径最短的光线汇聚而成(下图中的黑线),像2是红线,像3是绿线,像4是棕线。

克里斯托弗·诺兰是一个高标准的导演。他认为,如果虫洞看起来像个啤酒瓶底一样乱七八糟,那观众一定会一头雾水——这什么玩意儿啊?所以,他要求索恩计算出一个清澈完整不扭曲的像。

然而,根据索恩的计算,要形成不扭曲的像,虫洞的长度必须非常非常短。短到什么程度呢?短到只有虫洞半径的1%,也就是100米左右。这么短的距离,永恒号一眨眼的功夫就过去了,观众根本注意不到啊,一点也不好玩啊!要让观众注意到“我们在穿越虫洞啦”,就必须拉长虫洞,但这样一来,虫洞的外表就会看起来像啤酒瓶一样扭曲。

怎么办?索恩无计可施,诺兰心生一计——他决定放弃索恩的虫洞理论。

这样,我们就看到了一颗清澈美丽的水晶球,也感受到了足够长的穿越旅行。

索恩并没有埋怨诺兰。相反,他说,在观看了电影之后,他对穿越虫洞这段情节非常满意。他说:“虽然并不科学,但诺兰抓住了虫洞的精髓,看起来很新鲜,也很吸引人。”

4、原本还有一颗小黑洞

当库珀一行人打算乘坐小飞船去米勒行星时,他们遇到一个问题:为了用离心力对抗卡冈图雅黑洞强大的引力,永恒号以高速运行在轨道上,速度为光速的1/3,也就是c/3(c为光速)。而米勒行星的速度为0.55c。小飞船必须先大大减速,被黑洞拉进去,当速度接近米勒行星时,再改变方向。为了实现这个目的,小飞船大约需要减速10万公里/秒。

这时,库珀说:“我们可以绕着那颗中子星来减速。”

这是为什么?先来看看这项任务有多困难吧!今天,人类最快的火箭速度为15公里/秒——不行,慢了7000倍。在电影里,永恒号从地球到土星花了2年,平均速度为20公里/秒——不行,慢了5000倍。

怎么办?还好,大自然为我们创造了天然的加速器——引力弹弓。引力弹弓是利用天体的引力来改变飞行器的轨道和速度,以节省燃料的方法,可以用来加速,也可以减速。像我们熟悉的旅行者1号就利用了木星和土星的引力弹弓。

经过索恩的计算,库珀的小飞船需要一颗中等质量的黑洞来做引力弹弓。这颗黑洞半径为1万公里,比卡冈图雅黑洞小1万倍,与地球差不多大。如果再小一些,库珀将被强大的潮汐力撕得粉碎。

第二颗黑洞?这时,导演克里斯托弗·诺兰犯愁了。一颗卡冈图雅还不够吗?还要再来一颗?就像两大盆水煮鱼,再好吃,也会烦呐!何况,观众们能理解吗?

于是,诺兰决定,把这颗小黑洞,换成库珀所说的“中子星”。这样,一个虫洞,一个黑洞,一个中子星,就像一盘凉菜,一盘热菜,一碗汤,完美搭配!让你吃得饱饱哒!

5、卡冈图雅黑洞原本更多彩

电影中的黑洞与吸积盘都很平滑,颜色也很单一。但基普·索恩认为,黑洞高速旋转的吸积盘的两侧,本应呈现出不同的色彩:一侧为明亮的蓝色,一侧为黯淡的红色。这是由于多普勒效应所造成的:当波源与观察者相向运动时,波长被缩短,色彩偏向光谱上蓝色那一边;反之,则波长被拉长,色彩偏向红色那一边。而电影中的黑洞吸积盘,并没有表现出这种差异。为此,基普·索恩饱受批评。针对这点,基普·索恩在书中也做了说明:诺兰为了不让观众迷惑,所以去掉了多普勒效应造成的色彩差异和形状不对称。

所以,这些都是为了满足诺兰的要求啊!


本文的理论和数据来源于基普·索恩所著的The Science of Interstellar。剧照版权属于华纳兄弟娱乐公司。

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