深度解读《星际穿越》这部科幻神作！世界级的科学家全程做指导

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　　很少有导演为了拍好一部科幻片，让一位世界级的科学家全程做指导，很少有一部科幻片能让理工男体验颅内高潮，又能让文科生看完后感受到情怀满满。本期我们就来解读，这样一部堪称神作的电影。它讲述的是地球已经无药可救！一个男人掉进黑洞，帮助人类逃离地球的故事。

　　《星际穿越》我们首先来了解一下剧情，故事的背景的设定是在人类文明日薄西山的时代！那时雾霾，沙尘暴肆虐整个地球，人类苦苦挣扎于饥饿的边缘。男主角曾经是一名最优秀的宇航员，他有一个女儿，天生热爱科学。突然某天开始，你要不断说自己房间的书柜里，好像藏了一只幽灵！寻着女儿房间里的神秘信息，男主角带着女儿找到了秘密的美国航空航天局（NASA）。一位老教授告诉男主角，人类即将灭绝，他们正在想方设法带人类逃离死亡中的地球。

　　为了拯救女儿和人类男主角和另外三位科学家驾驶宇宙飞船穿越土星旁边的一个神秘虫洞，去寻找人类新的家园。男主角离开了年幼的女儿，女儿则开始接受老教授的科学教育。经过漫长的旅行，男主角他们终于来到了虫洞另一头的陌生星系。在那里发现了一个巨大的黑洞。他们先来到黑洞旁边一棵满是水的星球，接着又到了一颗满是冰的星球。结果发现他们都不适合人类居住。之后男主角牺牲自己掉进了那个巨大的黑洞，却在这个黑洞里，被一个神秘的超立方体救下。男主角意识到，土星旁边的虫洞，黑洞里的超立方体都是未来人类为了拯救现代人类而放置的。之后，男主角通过引力控制手表的指针，把黑洞中的科学数据传给了长大后的女儿。女儿不负众望，带领仅存的人类逃离了地球。

　　这部影片基本剧情就是这样。《星际穿越》这部电影由诺兰导演的科幻神作，豆瓣评分高达9.1分。在豆瓣和IMDB，同时跻身影史最高评分前35名。获得了不错的票房和超高的口碑。这部电影给观众带来了非凡的震撼，也让很多人提出了很多疑问。比如，在那颗满是水的星球，为什么一个小时相当于地球上的七年？黑洞不是会吞噬一切吗？为什么飞船还可以绕黑洞转不被吸进去？为什么男主角掉进黑洞，没有被撕成碎片？为什么男主角能在那个超立方体中给女儿发信息？最后，地球上的人类又是怎么逃到土星旁边的？类似的问题还有很多。要回答这些问题，我们需要了解一些最前沿的科学知识！作为本篇科学顾问的大物理学家，基普·索恩已经在《星际穿越中的科学》这本书中为我们指明了方向，理解整部电影的两个最重要的关键词，一个是引力，另一个是黑洞。

　　提到引力，最容易让人联想到的就是350年前。一个苹果砸到了牛顿的头上，于是牛顿脑洞大开，发现了万有引力。但今天科学界对“引力”的研究，已经远远超越了牛顿那个时代的水平。他发现了人类对时间和空间的理解，把人类对宇宙的认知逼近了极限。在这个科学探索过程中，起到了关键性作用的人物是爱因斯坦，他开创性地把引力，时间和空间，这三个看似毫无关联的东西紧密联系在了一起。

　　在爱因斯坦看来，宇宙的万物都被放到了一个由时间和空间编制而成的结构中，我们把这个结构我称之为“时空”，这个名为“时空”的结构。我们看不见，摸不着，感觉不到他的存在，但它巨大无比！宇宙中的一切大到恒星，行星，小到星际尘埃都分布在其中。他富有弹性有质量的物体放在上面，它都会凹下去，而且质量越大的物体凹下去越明显，这就是时空的弯曲！引力正是时空弯曲的表现。月球绕着地球转，地球绕着太阳转这些万有引力的例子。都源于时空的弯曲，在这里存在一种极端的情况。如果有一个物体质量比太阳还要大的多，但体积却比一粒沙子还要小得多，那么这个重的有点变态，又小的有点变态的点，就会在时空结构中形成一个深不见底的凹陷，这就是黑洞，每个黑洞都会吞噬自己周围的一切！有了这些基本的认识之后，我们开始尝试解答前面提到的问题。

　　电影盒子第一个问题“黑洞”不是会吞噬周围的一切吗？为什么电影里的飞船还可以绕黑洞，反而不被吸进去？要回答这个问题，我们需要知道黑洞的力量确实强大，但他的能力也不是无限的。它有一个作用范围，在他的某个区域以内，确实连光都逃不出来。这个区域的边界被称为“视界”。电影里的飞船，可以绕黑洞。但前提是，他必须把自己的飞行轨道锁定在“视界”以外，一旦掉进“视界”以内就完了。在“视界”以外飞行时，飞船将会受到来自黑洞的强大引力，以及飞船围绕黑洞做快速圆周运动产生的离心力。飞船的驾驶者必须让这两种力相互制衡，相互抵消，是非常处于平稳状态。

　　而当他们决定离开黑洞时，只要确定好方向，然后在正确的时刻点燃飞船的助推火箭即可。电影里就是这么做的。这里需要再提一句的是，男主角完全没有必要脱离主飞船掉进黑洞。虽然他对女同伴说，这是牛顿第三定律的要求，但实际上这样做形成的反作用力，对于主飞船逃离黑洞而言微不足道。因此男主角跳进黑洞是主动的行为。他这么做，是因为黑人科学家曾经想让他把机器人丢进黑洞，探测那里的量子数据，这些数据能让老教授解开他的方程，这是拯救地球人类的最后希望。但最大的问题是，不知道怎么把这些数据从黑洞里传递出来。男主角决定亲自前往！在他跳进黑洞之前，他并不知道自己能活下来，他怀着必死的信念去尽自己最后一次努力拯救地球上剩余的人类。而去人类的新家。维系人类繁衍的任务。他交给了女同伴。

　　我们来看第二个问题，在满是水的那个米勒星球为什么一个小时相当于地球上的七年？根据爱因斯坦的相对论和时间快慢相关的因素主要有两个，一是引力，引力越大的地方，时间过得越慢，二是速度，运行速度越快，时间过得越慢。按照电影的设定，这个大黑洞的质量是太阳的一亿倍，而米勒星球因为与环绕黑洞的最近的一个稳定轨道中，在如此近的距离下，他将受到异常强大的引力。同时，按照电影的设定，满是水的弥勒星球被以极快的速度绕黑洞公转，这个速度几乎是光速的一半。从远处看，它每秒钟就要绕黑洞转十圈，强大的引力极快的运行速度。这两个因素同时作用，导致了地球上的时间走七年，而米勒星球的时间才走一个小时。

　　现在来看第三个问题，都听说，人一旦掉进了黑洞，就会被撕成碎片，为什么男主角掉进了黑洞之后还活了下来？要回答这个问题，我们首先需要知道起点的概念。所谓“奇点”，就是黑洞中的小尖点，它是一个密度无限大，体积又无限小的点。针对男主角为什么掉进黑洞，还能活下来的问题。作为《星际穿越》科学顾问的大物理学家，基普·索恩是这样解释的。在1990年以前，物理学界认为所有的推动都只有一个“奇点”，这个起“奇点”被称为“BKL奇点”。这种“奇点”带有极强的破坏性，所有进入黑洞的东西都会被它拉伸，挤压，甚至摧毁。但在1991年和2012年，物理学家们在黑洞内部发现了两个新的“奇点”，他们要比“BKL”温和的多，其温和的程度可以让电影里的男主角在掉入黑洞以后，仍然有可能幸存。

　　更关键的是，电影中，未来的人类在黑洞里放置了一个超立方体，这个超立方体在最后时刻把男主角从“奇点”救了出来。前面的几个问题都是有关黑洞的问题。现在我们来看有关“引力”的问题，在《星际穿越》中，“引力”异常是贯穿整部电影的一条线索。所谓引力异常，指的是使用现有的科学理论无法解释的引力现象。电影开场，男主角就通过做梦的形式回忆了一次坠机事故，后来，分析坠机的原因是“引力异常”。男主角改装的无人收割机，因为罗盘数据错误，导致全部出现故障，原因也是“引力异常”。在男主角找到NASA之后，黑人科学家更是直接告诉我们，50年以前，人类就已经探测到遍布全球的引力异常现象。后来老教授向男主角解释，为什么开始建造巨型空间站，说的也是引力异常改变了一切。

　　最后男主角的女儿得到黑洞内部的数据也是为了破解引力异常之谜。那么引力异常为什么在这部电影中扮演了如此重要的角色？因为电影的剧情需要让地球上更多的人类最终逃离出去。但地球的强大引力死死的限制了人类火箭的运载能力，使用再强大的火箭也无法实现人类整体搬家的梦想。这个问题当今任何一种科学技术，都无法从根本上解决。《星际穿越》这部电影，需要一种超越我们这个时代的全新科学理论。而引力异常是一个堪称完美的引子。

　　因为任何真实的引力异常事件，都可能引发科学革命。这种事情在科学史上已经真真切切地发生过3次。在1859年，天文学家发现了水星轨道的异常，这不符合牛顿定律。这个异常，引发了25年后的一次科学革命。爱因斯坦提出了“广义相对论”，解释了引力的本质。1933年，天文物理学家发现了后发星系团中，星系之间相互绕转轨道的巨大异常。这不符合当时科学界对宇宙和引力的理解，这个异常直接导致了“暗物质”的发现。1998年，两个研究小组发现了宇宙正在加速膨胀的事实，这不符合引力会导致宇宙膨胀速度减慢的传统观念。这个异常直接导致了“暗能量”的发现。与这些历史上真实发现了引力异常现象不同。

　　《星际穿越》电影中的引力异常现象不是发生在太空，而是发生在地球上。可以想象，当影片中的老教授，在50年前第一次确认了这一异常现象时，会是如何兴奋。这意味着自己可能引领一次科学革命，更重要的是，一旦他发现了控制引力异常的方法，地球上的人类就能逃离这个正在死亡的星球。于是，他开始构建一种全新的理论，一切的秘密就在他黑板上写的那个方程中。那么老教授和他的继承者，也就是男主角的女儿能从那个方程中发现什么惊世骇俗的理论呢？我们期待这部电影能有后续的出现！

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