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科幻解說之《星際穿越》——蟲洞與黑洞、引力與時間

前情提要:

庫珀發現了NASA的秘密基地,進入秘密基地成為一名宇航員帶領隊伍進行星際探索,尋找下一個宜居星球。在飛向土星的路上,庫珀需要在途中進入前期探索的12考察之一的米勒星球探查。但是米勒星球臨近黑洞,具有很強的引力,強大的引力引起時間的畸變,米勒星球一小時等於地球時間7年,而下一個星球又需要幾個月的飛行時間。為了節約時間和燃料,庫珀一行人決定,繞過引力峰值,探查米勒星球並接回前期飛行員米勒,再前往下一個目的地。

電影中說,到達土星需要兩年的時間

地球距土星大概最近距離為8AU(1AU為一個天文單位,是地球到太陽的距離,約為1.5億公里),所以土星距地球12億公里。1光年=63204AU。以1年=365天5小時48分45.9747秒,光速=3億米/秒來計算,1光年=90萬億千米。所以電影中並沒有進行光速旅行。

引力和時間

在庫珀跟女兒說他要離開的時候,庫珀說:「當我在外太空接近光速飛行或者接近黑洞時,時間會過的很慢。」

布蘭德在庫珀和她在米勒星球時,庫珀想找一個方式彌補耽誤的時間,布蘭德說:「時間是相對的。時間可以被伸長,也可以被壓縮,就是不能迴轉。唯一可以在維度中跳躍的,是引力。你應該懂相對論的。」那麼,將時間和空間統為一體的「時空」一詞的發明者愛因斯坦究竟說了什麼呢?

引力會影響時間。越高的地方受到的引力越少,時間流逝也快。所以在太空中的衛星會有一個衛星時間,比地球會快一些。GPS衛星每天比地球時間快38微秒。

運動也會使時間變快。所以科幻小說中會寫常年在太空中光速飛行的宇航員會活的更久,也有說星際航行是延長人類壽命的一個方式,所以宇宙時期的人類會因為醫療科技和長時間星際航行的方式有更長的壽命。

同時,影片中有一個貫穿全片的概念「引力異常」。什麼是引力異常?是根據現有手段無法解釋的引力現象。影片中引力異常不是地球的物理現象發生了什麼畸變,而是一次可以引發另一場科學界重大發現的契機。當庫珀的女兒發現了蟲洞中的奧秘時,就是一次科學革命的開始:人類發現了四維空間和五維空間,將全人類搬遷到了土星附近,拯救了全人類,也將人類文明帶領到了另一個高峰。

黑洞和蟲洞

相對論提到假說,時空旅行的便捷方式是通過蟲洞。電影在基普索恩的指導下刻畫了一個愛因斯坦假設中非常逼真的蟲洞。蟲洞是一個球的形狀,但是平時我們見到的都是二維的畫。黑洞是高質量、高密度的,所以會有很大的引力。假設太空是一個有彈力的平面,上面的物體質量越大,在一個引力平面中就會形成越深的下陷。科幻小說中會幻想黑洞的下凹形成黑洞通道,成為時空中星系間通行的快速通道。但是黑洞的通道不是時時刻刻都開放的,需要能量補充才能持續開放一段時間,以保證飛船通過時通道不關閉。穿越蟲洞時,蟲洞並不會直接撕裂任何物體,內部也會有一個緩衝區,庫珀進入的就是一個緩衝區,在這個緩衝區,飛船可以正常的行駛。

黑洞的視界(Event Horizon)這個視界的邊緣逃逸速度為光速。就目前來說看,沒有什麼東西可以超光速,所以現階段理論上只要是跌入黑洞就不能逃出。但在視界之外,並沒有那麼強烈的引力,所以黑洞外米勒的星球仍能正常繞黑洞公轉,雖然引力相對於地球有很大不同。男主也能正常的進入黑洞,但不進入視界就是安全的。

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蟲洞

蟲洞只存在於愛因斯坦的理論中,並沒有被證實,多在科幻小說中被當做穿越的素材。而黑洞是已經證實是存在的,是太陽質量30倍的超大質量恆星坍縮後形成的,恆星的質量和密度坍縮成一個點,也就是奇點。我們知道,在黑洞中的物理現象與地球完全不同,黑洞吸收所有東西但不吐出,包括光,由於沒有光的外射,我們沒有辦法直接觀測黑洞,只能等到其他的科學方式發明出來再去觀測。與黑洞相對的是「白洞」,是黑洞老化後的階段,由吸收物體變為吐出物體。也有說蟲洞連接黑洞和白洞,但都沒被證明。現階段只知道黑洞是存在的,蟲洞、白洞都是假說。


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