科幻與科學：《星際穿越》中的黑洞卡岡都亞

克里斯托弗·諾蘭憑藉指導《星際穿越》入圍第41屆美國科幻恐怖電影獎土星獎最佳導演。2014年末，《星際穿越》再一次在中國引發了科幻浪潮，《星際穿越》中的科學事實、猜想和推測引起了觀眾的無限興趣。而黑洞卡岡都亞在電影中扮演了重要角色。

圖1為《星際穿越》海報

黑洞—光都無法逃逸的牢籠

黑洞是由彎曲的空間和彎曲的時間構成的，除此無他。

假如你是一隻螞蟻，生活在一張兒童蹦床上——那種由高高立柱支撐起來的橡皮膜。此時，一塊很重的石頭落在其上，把橡皮膜拉向下方。不過，你是一隻失明了的螞蟻，看不見立柱、石頭或者彎曲的橡皮膜。但你是一隻聰明的螞蟻，你懷疑自己生活於其中的整個橡皮膜（宇宙）是彎曲的。為了驗證橡皮膜的形態，你先在橡皮膜上方靠外圍的區域繞了一圈，並測量了圓圈的周長，然後你從這個圓圈的一頭穿過中心點徑直爬到另一頭，並測量了圓圈的直徑。如果你所在的世界是平直的，那麼圓圈的周長和直徑的比值應該正好等於圓周率。可是在蹦床上，你發現圓圈的周長比直徑還要小得多。這讓你肯定，你的宇宙是高度彎曲的。

圖2為爬在橡皮膜上的螞蟻

在無自旋的黑洞周圍，空間彎曲和蹦床類似。取黑洞的赤道面切片，你就會得到一個二維的表面。從高維空間中看，這個表面的彎曲方式和蹦床一樣。圖3展示了黑洞彎曲的空間，看起來和圖1一樣，只是我們移去了立柱和螞蟻，並在黑洞中心用奇點代替了石頭。

圖3：黑洞的彎曲空間

奇點是一個非常小的區域，在那裡二維表面變成了一個點，所以空間才會產生「無限扭曲」。在奇點處，潮汐力無限強大，任何已知物體都會被拉伸和擠壓到無法存在。

蹦床的彎曲是由石頭的重量產生的。同樣地，我們可能會猜想，黑洞的空間彎曲也來自奇點。但並非如此。事實上，它是由引起空間彎曲的巨大能量造成的。

正如準備射箭時拉開一張硬弓需要很多能量一樣，空間彎曲也需要大量能量。而與彎曲的弓存儲了彎曲能量類似（直到鬆開弦，能量才會從弓傳送到箭上），彎曲能量也存儲在黑洞的彎曲空間中，對黑洞來說，彎曲能量是如此巨大，以至於它本身就可以產生空間彎曲。空間彎曲這種非線性、自我循環式的行為違反了我們的日常經驗，卻正是愛因斯坦相對論物理定律的一個基本特性。這有點兒像科幻小說中，主人公回到過去並孕育了自己的情節。（《前目的地》這個電影有這樣的情節。）

這種自我循環式的空間彎曲並不在太陽系中發生。空間彎曲在整個太陽系中都顯得非常小，這種能量也微不足道，遠達不到產生循環式彎曲的級別。太陽系內幾乎所有的空間彎曲都是由質量，包括太陽的質量、地球的質量、其他行星的質量直接產生的。相反，黑洞的空間彎曲則完全由彎曲自身造成。

黑洞卡岡都亞的構造：推測卻無法證實

如果我們知道黑洞的質量和它的自旋速度，那麼通過愛因斯坦的相對論物理定律，我們便可以推算出黑洞的其他性質：大小、引力強度、視界在赤道附近因離心力而向外延伸的程度，以及黑洞對其背後天體所產生的引力透鏡效應的細節，甚至黑洞所有的性質。（就好像一旦知道了我的體重和奔跑速度，就能推斷出關於我的一切）正如電影《星際穿越》所展示的，通過研究米勒星球的性質，物理學家通過相對論推斷出卡岡都亞的質量和自旋速度，從而了解關於此黑洞的所有事情。

而對於卡岡都亞的結構奧妙，只能去推測而無法證實。

《星際穿越》的科學顧問基普·索恩在解讀星際穿越的時候，曾經對卡岡都亞做了合理大膽地推測。

圖4為卡岡都亞的結構

在如圖的卡岡都亞周圍，有一個類似「火殼」的東西。引力在黑洞附近是如此強大，空間和時間彎曲是如此強烈，以至於光線會被困在視界外的軌道上，繞著黑洞一圈又一圈地轉動，很長時間後才可以逃脫。這些禁錮光線的軌道不穩定，因為光線最終總會逃離它們。索恩教授喜歡稱這些暫時被禁錮的光線為「火殼」。

可能《星際穿越》在中國引起的熱潮已經過去，但通過這部電影我們可以更大程度地去了解宇宙，了解那些神秘的科學力量。電影中的每一個華麗特效都是一場嚴謹的科學追求，希望中國未來的科幻電影也要有如此探索的精神。

出品：科普中國

製作：北京郵電大學 戰博豪

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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