《星際穿越》物理學：黑洞是什麼樣子的？

Adam Rogers 發表於 2014-11-11 20:13

（sorceress_60884/譯）「當然啦，黑洞就應該是這個樣子的。」當基普·索恩（Kip Thorne）望著在他的幫助下建立起來的黑洞時，心裡便是這樣想的。這個黑洞其實是一個有史以來最精準的黑洞模型。它以接近光速旋轉著，將宇宙的物質一點點地吸引過去。（這就是引力，相對論超詭異的。）理論上講，黑洞本是一顆恆星，然而它最終沒有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個小小的、不可逃逸的奇點（singularity）。一道光輪環繞著裡面的球形大漩渦，看起來似乎既從上面彎過去，也從下面彎過去了。

電影中展示的「黑洞」形象。為什麼黑洞看起來會是這個樣子？圖片來源：wired.com

但這一切都十分自然，因為黑洞附近常常發生奇怪的事。例如，黑洞引力極大，以至於彎曲了宇宙的結構。愛因斯坦對此進行了解釋：質量越大的物體，產生的引力就越大。像恆星和黑洞這樣的物體就能產生巨大的引力，導致光線彎曲，時空扭曲。更神奇的是，如果你離黑洞比我近，我們對時間和空間的感覺會不一樣。相對來說，我的時間會過得快一點。

索恩從這個模型中看到了什麼？作為一個天體物理學家，他的數學知識引導著這一迷人視效的誕生——這是有史以來對黑洞面貌的最準確的模型。同時，這個模型還是30個人、數千台計算機一年的工作成果。除此之外，這個黑洞還和一群星光熠熠的好萊塢明星聯繫在一起——馬修·麥康納（Matthew McConaughey）， 安妮·海瑟薇（Anne Hathaway），傑西卡·查斯坦（Jessica Chastain），比爾·歐文 （Bill Irwin），卡西·阿弗萊克（Casey Affleck），約翰·利特高（John Lithgow）——因為這個黑洞模型是電影《星際穿越》的核心——《星際穿越》是克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）導演的太空旅行史詩巨作，北美11月7日上映。索恩從這個模型中看到了真實。而技藝非凡的圖像製作師諾蘭，看到的則是美。黑洞，即使是虛構的，也能讓人的感知翹曲。

1972年的索恩。A. T. Service/ Wikipedia

索恩可不是你平時見到的普通的天體物理學家。確實，他是很出名的理論家，但是在他2009年從加州理工學院退休之前，他就已經對面向大眾解釋傷人腦筋的相對論充滿興趣。快退休時，索恩和製片人琳達·奧布斯特（Lynda Obst）——索恩和琳達已經相識了30年，當年是卡爾·薩根（Carl Sagan）給他倆安排了一場盲約會——就在談論要不要製作一部涉及到黑洞與蟲洞神秘性質的電影。不久之後史蒂文·斯皮爾伯格（Steven Spielberg）簽約導演這部影片，編劇喬納森·諾蘭（Jonathan Nolan）寫了一個劇本。不過最後斯皮爾博格退出，喬納森的哥哥，以《記憶碎片》、《盜夢空間》這種把人繞暈的片子而聞名的導演克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）接手。在克里斯托弗·諾蘭重寫他弟弟的劇本的同時，他想弄明白這個故事核心裡的科學內容。於是，克里斯托弗·諾蘭開始與索恩見面。

2013年頭幾個月里，索恩和諾蘭在探討被物理學家稱為「宇宙的翹曲一側」的問題，如彎曲的時空，現實世界的缺口，還有引力如何彎曲光線。「可以說這個故事已經徹底成為克里斯托弗和喬納森的故事了。」索恩說道，「然而故事的精髓、拍攝一部一開頭就將科學嵌入的電影這一目標，與這其中了不起的科學都得到了保留。

電影製作者們構思到的這個故事設定在一個反烏托邦的近未來：那時糧食將無法生長，人類處於滅絕的邊緣。一位退役宇航員（麥康納飾演）被徵募進行最後一次飛行任務，這個孤注一擲的任務是尋找另一個能令人類生存並復興的星系。

那麼，問題來了。其他恆星離地球那麼遠，哪怕到達最近的幾個恆星起碼也要花幾十年，而且連能在幾十年內到達目的地的那個速度我們都不知道要怎麼達到。不過早在1983年，當卡爾·薩根為他的小說尋找一種可行方案的時候（那部小說後來被拍成了電影《超時空接觸》），索恩建議他使用蟲洞，一個假想的宇宙裂口，它利用超越四維時空的更高維度連接兩個相距遙遠的點。所以對於《星際穿越》來說，蟲洞也是不二選擇。當索恩和諾蘭討論這部電影的時候，對於蟲洞物理性質的探討不可避免地向電影製作者提出一個問題：要如何將蟲洞表現在熒幕上？

而這並非唯一讓電影特效團隊頭疼的物理學。諾蘭的故事依賴於時間膨脹：不同角色的時間過得不一樣。為了讓這點在科學上說得過去，索恩告訴諾蘭他需要一個極大的黑洞——電影里這個黑洞叫「巨人」（Gargantua）——而且這個黑洞要以接近光速的速度旋轉著。作為一個電影製作者，諾蘭不知道如何將這種東西表現得真實可信。不過他知道誰可以幫他實現這個效果。「克里斯打電話跟我說他要派個人來我家談談視覺效果的事情，」索恩說，「我就答道，『當然，請他過來吧。』」不久後保爾·弗蘭克林（Paul Franklin）就到了索恩家。

弗蘭克林知道他的電腦總能完成他的任何要求，這既是一個問題又是一種誘惑。「我們很容易落入陷阱，結果打破現實的規律，」這位贏過奧斯卡最佳特效的視覺特效工作室「雙重否定」（Double Negative）的高級主管說，「而這些規律可是相當嚴格的。」

因此，他叫索恩寫出一些公式，使他們的特效軟體能反映出符合物理規律的真實世界。他們從蟲洞入手。如果光在蟲洞附近會一改經典規律——以直線傳播——這會變得怎麼樣呢？要如何用數學來描述這一點呢？

黑洞扭曲光的示意圖。圖片來源：Kip Thorne

索恩遞給弗蘭克林的答案是一份研究深入的備忘錄。這備忘篇幅很長，到處是引用來源，寫滿了方程，看起來更像是科學期刊里的論文。弗蘭克林的團隊基於這些公式寫了新的渲染軟體，然後將蟲洞製作了出來。效果令人驚嘆。這個蟲洞就像是照出這個宇宙的水晶球，是時空里的一個洞。「科幻小說總喜歡把事情弄得神乎其神，似乎普普通通的宇宙總不能讓他們得到滿足，」弗蘭克林說，「而我們從這個軟體中直接得到的結果就已經讓人難以忘懷了。」

蟲洞的成功讓特效隊伍大膽地用同一方法製作黑洞。但是黑洞，看這個名字就知道，是光的殺手。電影製作者常用一種稱為光線追蹤的技術來渲染圖像的光和反射效果。「然而光線追中軟體都會使用一個通常來說合情合理假設，就是光沿直線傳播，」「雙重否定」的CG（計算機圖形）監管歐也妮·馮·藤澤爾曼（Eugénie von Tunzelmann）解釋到。因為黑洞遵循的可是一種完全不一樣的物理規律，「我們就只能再寫一個全新的渲染器了。」

有些單幀要花上100個小時來渲染，引力透鏡這種愛因斯坦效應導致的小小彎曲讓計算變得非常繁重。到了最後，這部電影佔據了將近800TB的數據。馮·藤澤爾曼說，「我還擔心這次我們可能要突破1 PB數據大關了。」

馮·藤澤爾曼做了一個巧妙的演示。她建立了一個多色的平面圓環代表吸積盤，然後把它放在旋轉的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情發生了。「我們發現黑洞外圍扭曲的時空同樣彎曲了吸積盤，」弗蘭克林說：「因此吸積盤並不像是土星環那樣圍繞著一個黑色的球，相反，光線彎曲會產生這樣一個奇特非凡的光暈。」

這就是為什麼當索恩第一次看到黑洞的最終效果時會覺得「就該是這樣嘛」。雙重否定團隊開始認為一定是渲染器里出了bug導致這個效果，但是索恩意識到他們已經正確地建立出與他給出的數學公式一致的現象模型。

儘管如此，沒有人會知道黑洞到底是什麼樣子的——除非他們真的造一個出來。黑洞周圍那些被吸過去但是逃脫一劫的光，在黑洞的陰影附近展示了出人意料的複雜特徵圖譜。而發光的吸積盤則在黑洞的上下方以及前方出現。「我從沒預料到結果會是這樣的，」索恩說，「歐也妮就做了這個模型然後說，『嘿，我得到了這個。』這真是太棒了。」

最後，諾蘭拿得了使故事升華的優美圖像，而索恩得到了一部能使大量的觀眾都能學到一些真實準確的科學知識的電影。不過索恩還獲得了一些意外的收穫：一個科學發現。「這就是我們的觀察數據。」他這樣形容著電影的效果，「自然就是這樣子的。句號。」索恩說他能從中發表至少兩篇文章。

根據索恩提供的公式，特效人員構建出了黑洞模型，黑洞周圍的光呈現出奇特的景象。圖片來源：Interstellar

當索恩談到他最喜歡的天體物理學內容時——黑洞的碰撞，旋轉的星球引起的運動的時空，時間的彎曲——他會運用大量的類比，例如比作兩個龍捲風相遇，或者將光線的彎曲比作風中的稻草。然而類比亦會矇騙人們的雙眼，讓人們以為自己明白了某種事物的原理而實際上只是明白這個這種事物的表象。不過索恩帶著光環的旋轉黑洞，和涉及擴張星系的蟲洞，不只是類比。絕大多數《星際穿越》的觀眾看到這些畫面後——蟲洞、黑洞、奇怪的光線——會心想「哇哦，那真是漂亮啊。」而索恩看到這些畫面則會想，「哇哦，那真是真實啊。」而且在某種程度上，他也覺得它們很漂亮呢。（編輯：Ent，Calo）

文章題圖：wired.com

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