看《星际穿越》前,需要做哪些功课

2014-11-14 09:21:16 来源: 东方早报(上海)
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看《星际穿越》前,需要做哪些功课

《星际穿越》剧照:被吸积盘围绕的巨大黑洞和离得很近的一颗行星,强烈的时间 扭曲使得这颗行星表面一小时等于地球上七年。

在电影《星际穿越》中,男女主角在靠近黑洞的行星上,呆了几个小时,回到飞船上发现已经过了二十几年,这种情况可能出现吗?通过虫洞可以完成时间、空间旅行吗?在观影之前先了解下黑洞、虫洞、时空旅行是怎么回事吧。

长期以来

大多数人并不相信黑洞

简单来说,黑洞是宇宙中有着强大引力的超高密度天体,任何物质只要超过黑洞外围的“视界”,都将被吸入黑洞,并且有去无回。

“黑洞”最早被科学家提出时还不叫“黑洞”。1783年,剑桥的学监约翰·米歇尔进行了一项论证:如果有个人垂直向上射出一个粒子,它的上升将被引力所减缓,而且这个粒子最终将停止上升并落下。如果初始向上的速度超过逃逸速度的临界值,引力将不够强大到足以停止该粒子,它将飞离远去。光速大约是每秒300000千米,光可以从地球或太阳轻而易举地逃逸。

米歇尔论断,存在比太阳更大质量的恒星,其逃逸速度超过光速,因此任何光都可以被这些恒星的引力拖拽回去,在那种情况下,连光线都看不到。他将这样的情况叫做“暗星”。

但是,在很长一段时间里,大多数物理学家都很怀疑,如此极端的形态是否真的在宇宙中发生过。爱因斯坦本人从不相信黑洞,而且大多数广义相对论的元老都认同他的态度。

1916年,德国天文学家卡尔·施瓦兹席尔德揭示了广义相对论中的一个令人吃惊的含义,他指出,如果恒星质量被集中在足够小的区域,恒星表面的引力场就会变得非常强,连光都不能逃逸,它是时空中以“事件视界”为界的区域。在这个区域,观察者看不到任何东西,包括光。卡尔·施瓦兹席尔德的发现,在当时并没有得到理解和重视。

直到1963年,3C273类星体的发现引发了大量有关黑洞的理论研究及检测它们的观察尝试。3C273类星体是第一个被发现的类恒星无线电源,在一个小区域内产生了大量的功率。物质落入“黑洞”,似乎是能够解释这么高亮度的唯一机制。

霍金指出,大质量的恒星把它们的氢燃烧成氦,氦又燃烧成诸如碳和氧等更重的元素,但是这些核反应不会释放出大量能量。恒星失去支持自身对抗引力的热量和热压力,开始坍缩,最终坍缩成零尺度和无限密度,从而形成奇点。当恒星达到一定的临界半径,光线将在恒星常距离处逗留,永远不能离开。光线的临界轨迹掠过的表面称作“事件视界”,它把时空中的光线隔离成能够逃逸的区域和不能逃逸的区域。

1969年,美国物理学家约翰·阿奇巴尔德·惠勒为物体的坍缩状态撰写了“黑洞”这个术语,并激发了这个领域中的大量现代研究。

霍金在《果壳中的宇宙》中的理论说明,一个落进黑洞并撞到奇点上去的航天员的时间,将会终结。当宇航员着陆在一颗正在坍缩的恒星上时,在这个恒星表面的时间就将缓慢下来并最终停止。

因此《星际穿越》中的情节设置有一定的理论基础。不过这仅仅是物理学上的理论。人类要真正做到这些,暂时没有可能。上海交通大学物理与天文系王斌教授告诉早报记者,“接近黑洞,就会被黑洞的潮汐力撕得粉碎,任何东西都不例外。男女主角在靠近黑洞的行星上,这个靠近的概念是多远的距离?就算靠近黑洞到可以感受到黑洞的作用,一旦越过视界,你也就无法再返回。”

虫洞还只是

停留在思想实验阶段

时空旅行是科幻电影中常设的情节,《星际穿越》中的主角就经历了虫洞这个时空隧道。虫洞是什么?“可以把虫洞理解为连接不同时空的桥梁,你可以通过虫洞瞬间进入另一空间,甚至回到过去的时间。”王斌说。

物理学家基普·索恩说,在纸上爬行的蚂蚁感觉不到纸是平整的还是有褶皱的,同样,宇宙中的我们也不太清楚,我们的宇宙在超空间里是平直的还是弯曲的。正是因为超空间的弯曲,距离遥远的星球才有可能相邻,从而可以通过很短的虫洞连接起来。

虫洞不只是科幻小说家凭空想象的东西,1916年,数学家就在爱因斯坦场方程的解里发现了它。“可以说虫洞是一个数学概念,从物理角度目前无法观测到。”王斌告诉早报记者。

索恩几十年来也在怀疑虫洞的存在。我们可以在星系中大量观测到大质量的恒星在死亡坍缩时会形成黑洞,但在自然界却没有看到类似虫洞的生成方式。“实际上,没有任何理由相信我们的宇宙在今天包含了任何会产生虫洞的奇点,即使存在这样的奇点,也难以理解两个奇点能在广阔的超空间里相遇而形成虫洞”,索恩在《黑洞与时间弯曲》中写道。

按照爱因斯坦场方程,虫洞的寿命非常短暂,在辐射的随机打击下还会更短,比以往更加快速地收缩、关闭,仿佛它根本不曾存在过。索恩开始思考是否有一种无限发达的文明,可以让虫洞总是开着。以爱因斯坦场方程为基础,索恩认为,可以用某种奇异物质贯穿虫洞,靠引力作用将洞壁撑开,这个贯穿虫洞的奇异物质必须具有负能量密度。

虫洞需要奇异物质打开的发现,在1988—1992年间激起了理论研究热潮,中心问题是:物理学定律容许奇异物质存在吗?如果是,应该在什么条件下呢?直到今天,关于开启虫洞的条件以及奇异物质的存在都未有定论,这也为各类科幻电影、小说提供了很大的发挥空间。

索恩说,假如大爆炸没有生成虫洞,那么一个无限发达的文明,可能用量子方法或扭曲空间的办法构造虫洞,但不论使用哪种方法,时间在所有参照系看来都会被强烈扭曲,因此,虫洞就成为了一台时间机器。

索恩假设了一个思想实验,找一个很短的虫洞,一个洞口放在家中起居室,另一个洞口放在门前草地上的家庭飞船。索恩留在家里的洞口,妻子卡洛丽从另一个洞口乘飞船以光速去宇宙旅行。整个旅行过程中,两人的手通过虫洞握在一起。卡洛丽将于出发后12个小时回到家前的草地。但以地球时间来测量,卡洛丽回来后,地球上已经过了10年。10年后,卡洛丽回来,索恩站在妻子身后,从洞里看,握着她的手的人,正是10年前的他自己。

索恩提醒,虽然在思想实验中可以通过虫洞回到过去,但这个“过去”并不是随便的时间,因为哪怕是在理论上,也不可能通过虫洞,穿越到进入虫洞之前的时间里。也就是说,虫洞只在虫洞两端有效,无法实现其他时空的随意穿越。当然,如果有很多的相互连通虫洞,那效果就大不相同了。

看《星际穿越》前,需要做哪些功课

netease 本文来源:东方早报 作者:徐明徽 责任编辑:王晓易_NE0011
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