《環球科學》專訪基普·索恩：《星際穿越》讓相對論煥發新活力
2017 年 10 月 3 日，美國物理學家基普·索恩（Kip Thorne）與雷納·韋斯、巴里·巴里什，因構思和設計激光干涉儀引力波天文台 LIGO，對直接探測引力波做出傑出貢獻，榮獲2017年諾貝爾物理學獎。基普·索恩為人所知的另一個原因，是他作為科學顧問，參與了科幻電影《星際穿越》的製作。2015年，《環球科學》記者就以此為契機，對索恩進行了一場專訪。
多年前的一個秋天，基普·索恩（Kip Thorne）和琳達·奧布斯特（Lynda Obst）一邊在晚宴上享受美食，一邊談論讓人好奇的物理學前沿問題。
此時，在好萊塢擔任製片人的奧布斯特興奮地跟索恩談論著自己的想法，希望索恩能幫她實現這個聽起來就十分具有挑戰性的構想：她想做一部與物理學前沿問題緊密相聯的電影。索恩想了想，提出了兩個條件，他覺得只有滿足這兩條，自己才能全力以赴地投入其中。首先，影片中的情節不能違背已成定論的物理定律，也不能違背我們對宇宙的現有認識；其次，對尚不明確的定律或是對宇宙的猜想，要源自真正的科學，用到的猜想也一定要受到科學家們的認可。
奧布斯特欣然地接受了這個要求，並放心地把科學相關的部分交給索恩。索恩對愛因斯坦提出的一系列理論駕輕就熟，他知道怎麼樣去展現物理學最能吸引人的一面。當接受這份任務時，他發現，不僅需要找到合適的物理現象和物理模型為劇情服務，還要想辦法真實客觀地展現一些科學家都還沒見過實體的物理推論。而且，作為一部大眾娛樂電影，他還得想辦法讓大家都能看懂這些視覺刺激在說些什麼。
20世紀初，愛因斯坦也面臨過類似的問題。他需要在學術圈內爭取到重量級科學家的認同，但是由於理論太具顛覆性，大多數人不太清楚他在講什麼；還有一些人甚至認為愛因斯坦是瘋子，居然想把絕對的時間和絕對的空間聯合在一起，用一種會發生變化的、相對的「時空」來解釋我們的物理世界。
當時，愛因斯坦唯一缺少的，是在現實世界中找到能證明自己理論的觀測證據。好在愛丁頓及時出現,他通過在日全食時觀測太陽對光線產生的偏轉作用，證實了太陽的質量的確造成時空彎曲，使光線發生了偏轉，而且偏轉的幅度和愛因斯坦的理論預言值幾乎一模一樣。
愛丁頓在觀察的同時拍下了一系列照片，於是，愛因斯坦用這些照片直觀地證明了自己的理論。近百年後，視覺藝術之花持續繁榮和發展，當初最時髦的板式攝影法已經被電子感光原件取代，曾經單獨成張的照片也加上了音效成了電影。愛因斯坦自己或許並不知道，他那些艱深晦澀的理論正在當下以另一種方式在熒幕上釋放出新的生機。
3年前，索恩和奧布斯特在2005年時就開始構想的電影以《星際穿越》的名稱出現在了銀幕上，近十年的波折和起伏使他們錘鍊出了一部豐碑式的科幻電影。在廣義相對論問世100年周年之時，我們對話這位跨界的著名物理學家，聊一聊科幻和物理。
索恩（左）正在和諾蘭（右）在片場討論劇本。
《環球科學》： 《星際穿越》公映時，引發了全球範圍的討論熱潮，此後的一年中，又有許多優秀的科幻電影上映，和這些電影相比，你對《星際穿越》是否依舊滿意？
索恩：我認為《星際穿越》是科幻電影史上最偉大的作品之一，也是為數不多的真正講科學的電影。在執導時，克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）就表達了他對這部電影的喜愛，現在他也以這部電影為驕傲，嗯，是非常驕傲。在這部電影漫長的籌備過程中，我也付出了自己的心血，對此，我感到非常驕傲。
《環球科學》：電影中呈現了大量超乎人們想像的物理現象，在這其中，有沒有你最喜歡的場景？
索恩：當庫珀（男主角）穿過卡岡都亞的視界面進入黑洞時，他背對著黑洞向上看，有那麼一個短暫的瞬間，他看見整個宇宙的星光都被壓縮變小，束縛在一個圓形的圈裡，圈的周圍是卡岡都亞的吸積盤，吸積盤以外只剩下無限的漆黑。你能想像嗎，這就是當你進入一個黑洞，嘗試向外看時，真正能看到的場景。這讓我自己都屏住了呼吸。
《環球科學》：是因為庫珀能夠活著看到這一切？
索恩：兩方面的原因吧。當初薩根想在《超時空接觸》中讓主角穿過黑洞抵達織女星，我對他說這可不行，黑洞中的奇點會撕碎她的，還不如讓她從蟲洞過去。那時，物理學家認為所有黑洞中都寄宿著混亂且帶有破壞性的奇點，所有進入黑洞的東西都會被它拉伸擠壓直至摧毀。但現在看來，我們錯了，幾十年後，科學家發現，除了之前提到的那種殘暴的奇點，還有兩種新的奇點也能存在於黑洞中，其中一種就是溫和奇點。顯然庫珀掉進了這種寄宿著溫和奇點的黑洞。還有，當時庫珀還能收到外界傳到黑洞中的信息，但他已經無法發送任何信息給布蘭德（女主角）。因為根據目前的理論，除了霍金輻射以外，黑洞中其他任何東西都逃不出去。庫珀在黑洞中所看到的，所經歷的，都是根據最前沿的理論計算得出，他當時能看到的場景也是在嚴格建模之後，由特效公司精細加工而成的。
《環球科學》：在很多科幻電影中，蟲洞都是推進劇情的重要工具。我記得「蟲洞」這個名字是你的導師約翰·惠勒 （John Wheeler）提出的。你在電影中構建的蟲洞，和當初科學家研究的蟲洞有什麼異同？
索恩：在愛因斯坦剛剛發表廣義相對論一年後，路德維希·福拉姆（Ludwig Flamm）就發現廣義相對論的一個解可以描述蟲洞，不過當時蟲洞還不叫蟲洞。1935年時，納森·羅森（Nathan Rosen）和愛因斯坦也對這種特殊的時空結構發表了自己的見解。後來，惠勒教授在研究這種現象的時候給了它「蟲洞」這個朗朗上口的名字。直到1962年，惠勒教授和他的學生羅伯特·富勒（Robert Fuller）共同發現，在試圖穿越它之前，蟲洞就會坍塌掉。不過現在我們知道，在理論上通過負能量可以讓蟲洞保持打開狀態。但是，我們仍然不知道，在自然環境下蟲洞是否真的可以一直打開。
這部電影中，我們利用愛因斯坦的方程，計算了來自恆星和星雲的光穿過或繞過蟲洞時的傳播路徑，得到了電影中展示的蟲洞形象。為了讓它在IMAX的屏幕上顯示出更多細節，我們首先在計算機軟體上以低解析度測試方程式，等到一切都符合我們的要求後，再把方程式和相關結果發給特效團隊，讓他們用高性能的計算機輸出IMAX所需的超高品質圖像。這可是好萊塢電影有史以來的第一次嘗試，我們試圖展示出蟲洞和黑洞最真實的面貌。
在我討論《星際穿越》背後的科學的那本書中也詳細說到過這個問題。今年這本書的中文版也發行了（與電影同名）。
《環球科學》：你一直在強調電影中的很多場景和畫面都是經過科學推導和計算得出的。這其中大部分模型都植根於愛因斯坦當初提出的理論，可以說愛因斯坦和他的理論在現代科幻電影中扮演了相當重要的角色？
索恩：不得不說，這是個有趣的問題。但是在我看來，可以從另一角度理解這個問題。對《星際穿越》來說，它最重要的價值之一，就是讓數以千萬的觀眾領略到愛因斯坦的物理定律的神奇之處，讓更多的人對愛因斯坦的相對論感興趣。
《環球科學》：那之後你還會再拍類似的科幻電影嗎？
索恩：我們正在籌備一部新的科幻電影，這部電影會和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）合作，也會和我的老朋友，好萊塢的製片人奧布斯特再次合作。暫時就這麼多吧，因為還在早期階段，除了能告訴你這部電影會像《星際穿越》一樣重視真正的科學以外，不能透露更多了。
《環球科學》：對你來說，愛因斯坦和他的理論意味著什麼？
索恩：在愛因斯坦的相對論建立起來的頭100年中，我們逐漸認識到彎曲的時間和空間會表現出哪些特質。在接下來的一段時間中，我們希望通過觀測引力波來檢驗這段時間中科學家取得的認識。
一般情況下，兩個黑洞發生碰撞時，會在由時間和空間交織而成的時空結構中製造出波動，這種波動就像海洋中的風暴一樣。研究引力波會讓我們進一步了解這種波動潛藏的信息。我們可以用觀測結果和計算機模擬結果做對比，從而檢測之前取得的認識是否符合觀測。這將開啟人類研究彎曲時空全新的一頁。
還有，在接下來的幾十年中，科學家依然需要糾結於如何將相對論和量子理論統一起來，構建出量子引力理論。一旦掌握這樣的物理定律，我們就能揭示宇宙是如何起源的、黑洞中的奇點有什麼樣的物理性質、我們是否能穿越時間回到過去。
在我看來，隨著理論不斷發展，愛因斯坦的相對論會煥發出更讓人興奮的光彩，在未來，它能帶給世人的，將比《星際穿越》中的精彩畫面更具衝擊力。
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