| 《星际穿越》 每日读书-喜马拉雅青岛分站
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喜马拉雅的书友们,大家好。我是施韡,《天文原来是这样》节目里的水兄。
我是一个职业科普人,所以给大家推荐一本很特别的书,一本科普读物《星际穿越》。
2014年11月克里斯托弗·诺兰执导的一部原创科幻电影《星际穿越》(Interstellar)引起了许多天文爱好者、科幻迷、影迷的竞相追捧。这部电影获得了第87届奥斯卡最佳视觉效果奖,同时还获得最佳艺术指导(最佳混音效果、最佳原创配乐、最佳音响效果)在内4项提名。这只是代表了电影的水准。事实上《星际穿越》被很多影迷称之为史上最“硬”的科幻电影。
科幻作品中常有“软科幻”和“硬科幻”之分,“软科幻”通常涉及的科学理论比较少,只是需要设置一个幻想的场景即可,而“硬科幻”则更需要有实在的科学理论作为支撑,并且让科学理论在故事情节发展过程中起到重要作用。
当然我要介绍的不是电影,而是书。这本同名书籍,不像其他电影一样属于同名小说,同名剧本,也不是通常意义上的幕后的故事。它有一个副标题“电影幕后的科学事实、有根据的推测和猜想”。事实上这本书讲的是《星际穿越》电影中的科学设定。从观影的角度来说,看了这本书,可以对电影场景、情节设定、艺术效果有更深的了解;而从科学爱好的角度来说,这本书就是关于天体物理学的科普著作,看了电影再看书,看了书后再看电影,怎一个爽字了得。
介绍一些这本书的作者——基普·索恩。没听说过他没关系,史蒂夫·霍金知道吗?他已经几乎成为妇孺皆知的理论物理学家了吧?霍金与索恩有过三次关于黑洞的打赌,在物理学界非常轰动。第一次是1965年对于天鹅座X-1是否为第一个黑洞的争论,霍金持反对意见,但1996年,答案终于揭晓,霍金错了,他愿赌服输,为索恩订阅了4年的成人杂志《阁楼》。第二次,索恩与物理学家约翰·普雷斯基尔一同与霍金打赌阿爸的愿望,赌的是宇宙中是否存在裸奇点,霍金认为不存在,但是又错了,他输给俩人各一件印有认输信息的T恤。第三次,霍金主动求战,他断言黑洞会彻底抹杀信息,结果又输了。原本赌注是一本《棒球百科全书》,但是他说太难找了,所以换了一本《板球百科全书》。按理说,美国人那么喜欢棒球,《棒球百科全书》应该不难找吧?唉,谁知道,反正霍金三次皆输,直接被索恩“三振出局”了。
再说一个名词吧。引力波,对,过去一年多里可算是最火的科学名词了。人类首次发现引力波所使用的那台仪器LIGO,中文是激光干涉引力波天文台,就是索恩发起的,他为LIGO项目提供了尽可能多的理论支持,为研发新一代引力波探测器做出了巨大的贡献。所以你说索恩牛不牛?有人讲引力波的发现会把基普·索恩推向诺贝尔奖的舞台鬼服兵团。1962年索恩从物理学界大名鼎鼎的加州理工学院毕业,进入同样是大名鼎鼎的普林斯顿大学攻读博士,师从著名天体物理学家约翰·惠勒,“黑洞”这个词就是惠勒创造的。事实上索恩无疑是当今引力物理与相对论天体物理学领域的集大成者,在黑洞、虫洞、引力波等广义相对论主题的研究上作出了极大的贡献。索恩最震惊世人,也最富争议的理论就是“虫洞在填充满奇异物质的前提下,可以作为时间旅行的工具”。所以,这也就不难解释为什么电影里就是依靠虫洞来实现时空穿越了。
那么牛掰的物理学家能够为电影撰写科学脚本,真是难能可贵。另外,这本书的译者也是大有来头,是来自国家天文台的王岚、苟利军、李然、尔欣中等8位天体物理博士组成的强大阵容,他们都是研究黑洞、星系、宇宙学、引力透镜、相对论等方面的科研人员。那么多博士翻译一本科普书,反正我的印象中还没有过。
《星际穿越》这部书的结构主要是这样的。先有一个引子,主要是讲了讲形成这部电影的前期故事,包括提到了最早所期待的导演是斯皮尔伯格等等,总之这些算是八卦内容吧。
正片第一部分“宇宙奥秘,穿越之钥”简要介绍了宇宙大爆炸、恒星之死、物理学定律、相对论与时空弯曲等一些宇宙学基础概念。
第二部分“卡冈都亚,黑洞中的巨人”,介绍了电影中的科学设定,比如说解释了米勒行星上为什么会有那么巨大的潮汐。卡冈都亚这个黑洞并不是一个普普通通的黑洞,而是一个质量达到1亿倍太阳质量的巨大黑洞。电影情节当中可能最打动观众就在于米勒行星上的1小时相当于地球上的7年。当时导演诺兰告诉索恩,剧情需要这种设定,一开始索恩认为是不可能的,但在诺兰的一再坚持下,他开始整夜思考这个问题,并使用相对论物理定律方程来进行推导。终于,他解决了这个问题郑秀康,他发现,米勒星球必须不落入黑洞卡冈都亚,但要尽可能靠近黑洞,并且黑洞的旋转速度要足够大才能实现诺兰所需要巨大的时间差异,他发现这个速率只能比理论最大速率慢100万亿分之一秒,这是一个非常理想化的状态,但不管怎样,他算是找到了解决方案。并且基普·索恩给出了航天器“永恒”号的停泊轨道。他的计算给了电影情节发展非常重要的科学依据。
第三部分“地球大灾难”,讨论了地球可能遇到的灾变,比如粮食危机,病菌攻击,冰盖融化,臭氧空洞等等,最终电影当中选定了所谓的枯萎病,虽然现实生活中并不存在,但他们将枯萎病的元凶设定为一种对所有植物都具有致命性的泛型,一个攻击叶绿体的病原体,这从科学道理上是解释得通的红海魔影。这部分还讨论了如何通过星际旅行寻求地外生命支持,这一趴我相信是很多科幻迷们感兴趣的。书中介绍了最近的可能宜居的星球在哪里。如果把我们所知的空间缩小,人类唯一到过的外星月球距离我们只有7cm的话,那么最近的宜居星球可能在地球的另一边。这是一个真实的比例,空间的距离是我们最大的障碍。书中也介绍了热核聚变推进系统和激光束与光帆技术的时间表,前者可以算有根据的推测,后者仍属于猜想阶段。
第四部分“虫洞,超太空跳跃的桥梁”。这部分可以说是索恩老师的拿手好戏了。他介绍了虫洞名字的由来,著名的“爱因斯坦-罗森桥”的结构。早在1985年的时候,卡尔萨根在小说《超时空接触》中设想通过黑洞实现传送,索恩当时就提出建议,可以使用虫洞,一个可穿行的虫洞。可以说《星际穿越》电影也使用了相似的大胆设想,原因就在于索恩认为任何可穿行的球对称虫洞一定是由某种具备负能量的物质支撑着的林哲乐,他吧这种具有负能量的物质称为“奇异物质”。然而,令人惊奇的是舒城二中,根据现有的理论,其义务制居然是可以存在的,当然这部分涉及到量子物理层面了。总之,理论在一定程度上支持了索恩的设想,这才有了电影当中那个非常漂亮的泡泡一样的虫洞。但是索恩最终还是把存在虫洞这个事归为“猜想”这个范畴。值得一提的是,索恩喜欢的引力波在这里登场了。还记得电影中无人机盲目乱飞、农机具自行开到主人公库帕的家中,以及后来的条形码一样的灰尘、迅速落地的硬币,这些东西都指向了所谓的“引力异常”。索恩则是如此进行设定的,一个神秘的能够在更高维度生存的“他们”使用一种我们当前无法想象的黑科技制造了一个虫洞,连接着一个远方的星系和我们的太阳系,虫洞的位置就在土星附近前度演员表。然而,虫洞本身不发光,只是将远方的星辰引过来,所以是很难被直接发现的。而当另一头的那个星系中发生了一次“大质量事件”(即中子星与中子星、黑洞与中子星或黑洞与黑洞的碰撞或并合)产生了引力波,引力波在扰动时空的同时也会沿着空间传播,包括虫洞,因为虫洞本身也是时空结构。于是,这个被安放在土星边上的虫洞不经意间就把遥远的引力波传递到地球,被LIGO探测到!是的,就是那个LIGO。他在书中这样写道:“在2019年的一天,LIGO探测到了有史以来一次最强烈的引力波爆发。信号的振幅在反复涨落几次后突然停止。整个引力波暴只持续了几秒钟。通过对比观测到的波形和超级计算机给出的数值模拟结果,布兰德教授和他的团队推断出了这次引力波爆发的源头——由中子星和黑洞组成的双星系统。”经过团队的研究,他们惊奇地发现引力波来源的方位居然是土星轨道!要说一个黑洞和一颗中子星绕着土星在公转,肯定没人相信,于是只能得到唯一的解释——虫洞。后来通过其他观测方法得到了证实,有一个虫洞被摆放在那儿,为了解救正走向世界末日的人类。不过,电影中出现的超纲词汇已经太多了,为了让大脑已经处在奔溃边缘的观众不要哭着走出剧场郑恩柏,导演诺兰最终决定把引力波这个概念去掉了。
第五部分“探索卡冈都亚的周边”,分别介绍了米勒行星、曼恩行星的情况,包括其运行轨道,物理特征,地质数据等,还有对于影片中飞船强行对接引发的爆炸一幕。
最后第六部分“极端物理”和第七部分“穿越之门已经开启”讲述了电影当中最科幻的部分,关于五维空间、量子引力的说明,还有超立方体等等。想要了解电影最后超立方体是怎么回事,主人公库珀如何传递信息,您最好还是自己看看书里是怎么解释的,书中还有大量的科学解析图帮助您去理解。但是,依然要提醒您:前方高能。
纵观《星际穿越》电影,故事与情节并不算新鲜,之所以让其成为一个“现象级”的科幻电影,就因为其中对于科学理论尽量忠实的视觉体现。电影中对于超大质量黑洞卡冈图雅的展示,是迄今为止最为准确的描述,包括引力透镜效应、黑洞吸积盘等等这些现象都在电影中得到了忠实的体现。尽管导演在电影中为了视觉效果做了一些妥协,也有一些难以解决的问题,但《星际穿越》因为有了来自各个领域专家的支持,硬到不能再硬了神武笑春风。索恩为了设置电影中的科学场景,在加州理工学院召集过一个会议,其中包括了物理学家、太空生物学家、行星学家和心理学家。正是因为有了众多科学家的参与,以科学的态度尽可能准确展示出一幅奇异而壮观的宇宙景象,亚伦格林必将成为科幻作品的新标杆。