陈学雷

中国科学院国家天文台研究员

■陈学雷

2014年最棒的电影，莫过于由克里斯托弗·诺兰导演的《星际穿越》，相对论、黑洞、虫洞、高维空间等现代物理和天文学中“高大上”的理论和概念一时成为全民话题。

电影中，由于某种病毒的侵袭，地球上的植物患上了枯萎病，只有玉米等少数作物还能存活；地球环境日渐恶化，人类陷入生存危机。科学家布朗特让前宇航员库柏，带领几位科学家乘坐“Endurance”飞船离开地球，去寻找人类新的家园。

太阳系内，除了地球以外并没有适合人类生存的星球。太阳系外离我们最近的恒星是位于半人马座的比邻星，距离4.2光年。以现有技术的宇宙飞船，至少需要几万年才能抵达。然而，电影中布朗特教授等人发现，太阳系内开始经常出现引力异常——包括墨菲卧室里的神秘现象也是一种引力异常，而最大的异常是，土星附近竟出现了一个“虫洞”。

穿过“虫洞”遇上“黑洞”

虫洞是广义相对论中一种连接了宇宙两个不同部分的解。真正让虫洞名扬天下、并成为科幻小说家最爱的是研究引力理论与黑洞的天体物理学家基普·索恩，他也是《星际穿越》的科学顾问。索恩和他的学生莫里斯构造出了一个虫洞的解，通过研究这个解，发现虫洞不仅可能连接宇宙中相距遥远的两个部分，还有可能实现时间旅行。但是，要维持虫洞，需要一种具有负能量的奇妙物质——因此，自然界中也许并没有虫洞。

穿过虫洞，可以瞬间抵达宇宙的远方（前提是时空弯曲到足够实现这样的捷径），这样就实现了星际旅行。不过，对于所到达的地方并没有选择的余地。片中库伯等人抵达的不是一个普通的恒星系统，而是一个超大质量黑洞的外围。目前天文上已观测到很多大质量的黑洞，黑洞有一个所谓“视界面”，其半径（即所谓史瓦西半径）正比于黑洞质量，一旦落入视界面，即使以光速运动也无法脱离黑洞。

按照电影的设定，飞船在这里飞行的范围大致类似于太阳系的大小，但中心黑洞的质量却是太阳质量的一亿倍，因此这里的引力场比太阳系内也大一亿倍，男主角乘坐的飞船如何能在强一亿倍的引力场里穿梭自如，他们的燃料又如何够用？

另一个问题是，黑洞尽管自身几乎不发光（黑洞有霍金辐射，但对这些黑洞来说非常微弱），但实际上天文上观测到的许多黑洞都是宇宙中最亮的天体——类星体。这是因为这些黑洞强大的引力将一些周边的物质吸入，而在物质落入黑洞时，巨大的引力势能转化为动能，速度极高的物质互相碰撞摩擦，形成温度非常高的吸积盘，产生很强的X射线辐射，足以杀死附近飞船上或行星中的生命。

片中的大黑洞周围也有一个大吸积盘，但索恩假定它是一个比较“宁静”的盘，物质比较均匀、有序的下落。这样的盘温度只有几千摄氏度，类似太阳的表面，不会产生很强的X射线。这仅是原则上的可能，但并不太稳定，如果有新的物质掉到附近，将会严重扰动吸积盘，让人类移居黑洞吸积盘附近实在不是一个让人放心的选择。

时间变慢效应和引力弹弓效应

库伯等人首先造访了密勒星球，这是个轨道位于黑洞附近的星球，一小时等于地球上7年，因此尽管库伯等人觉得只去了两个多小时，但地球上已过了几十年。

这是因为在相对论中，高速运动的物体以及处在引力场中的物体都会发生时间变慢的效应，而对密勒星球而言这两个效应都会发生——它处在黑洞引力场中，同时又围绕着黑洞高速旋转。

不过，相对论中虽然有这个效应，但要达到这么极端的情形（时间延迟达六万多倍）是比较难的，这要求该星球轨道非常接近黑洞的视界面处。然而，对于球形黑洞（史瓦西）而言，最小稳定轨道在三个史瓦西半径处，如果距离小于三个史瓦西半径就不稳定，行星或者坠入黑洞，或者飞离。因此，稳定存在的行星只能远在黑洞视界面之外。

索恩想出了解决途径：旋转黑洞（克尔黑洞）的稳定轨道可以更接近视界面。对于最大旋转黑洞，最小稳定轨道可以达到视界面，这时行星环绕黑洞的转速也极端接近光速。不过，即便如此，要让时间变慢六万倍在实际中也不大可能，但好在还不明显违背物理定律。

他们访问的第二个星球是曼恩星球，这其实是个冰冷的、不适合人类生存的星球。在燃料已不足飞回地球，也无法飞往另一个星球的情况下，库伯等人决定接近黑洞，利用“引力弹弓效应”获得足够的能量。

所谓引力弹弓效应是利用天体的引力吸引飞船，改变飞船轨道，增加或降低飞船速度。实际上，这一效应在现代航天中已经常使用，旅行者1号和2号、卡西尼等航天器都用了这一效应。库伯和阿梅利亚于是驾驶飞船飞到黑洞视界附近。

黑洞传说

天文上目前还没有实际看到黑洞的影像，黑洞究竟什么样子，现在还只能靠推断和想象。比如前面提到的类星体，其吸积盘现在也仅仅能看到一个光点而已。人们正在进行射电观测，希望能看到银河系中心的黑洞。

我们一般以为，黑洞附近的吸积盘看上去就像一个带有黑洞洞的圆盘。《星际穿越》中出现的带有吸积盘的黑洞与此有相当的不同，那是因为，这部电影考虑了一个观测者在黑洞附近实际进行观测时，黑洞引力场会造成光线偏折，也就是所谓“引力透镜效应”，因此我们看到的形状将有所改变。最明显的变化是，黑洞背后的吸积盘发出的光被黑洞所吸引而发生很大的偏折，因此，我们在黑洞的上方和下方将看到弯弯的光弧，仿佛吸积盘翘了起来绕到了黑洞的上方和下方。

到达黑洞边缘后，通过发射由机器人塔斯驾驶的小飞船获得反作用推力，他们可以脱离黑洞。但库伯主动作出牺牲，驾驶小飞船飞入黑洞。其实，库伯并没有什么理由要做这一主动牺牲，因为依照广义相对论对黑洞的解读，进入黑洞后既无法离开，也无法向外发送信息，那么进入黑洞只是自杀而已。

进入黑洞的视界面时，并不一定立刻就死。从外面看来，当一个人趋近黑洞时，他的动作和时钟都明显变慢，看上去像是停了下来，同时光越来越暗、越来越红；而落入黑洞的人没有任何特别的感觉。

另一方面，还有不均匀的引力场，也就是所谓潮汐力。黑洞的潮汐力与黑洞的质量成反比，因此落入大黑洞时并不会感受到太大的潮汐力。其实，正是为了有较小的、人和行星可承受的潮汐力，索恩才让剧中那个黑洞质量如此之大。穿过视界面之后，库伯也许会继续下落，直到撞上某种奇点——也就是时空曲率发散变成无限大之处为止。

“超弦膜世界”

不过，影片中库伯却从飞船中弹射出来，然后奇迹发生了——他进入了高维空间。这就属于前面说的，对于物理规律尚不清楚之处允许幻想，这一幻想也是基于目前流行的超弦膜世界理论。

超弦理论认为，世界的本原并非粒子，而是“弦”。根据数学理论，对于具有超对称的弦，只有在十维空间里理论才是自恰的。那为何我们只能感受到三维空间和一维时间呢？早期的弦理论家认为，那是由于其他六个维度卷曲起来，只有很微小的尺度，因此无法被感知。后来，研究者发现弦论中除了弦外还存在着被称为“膜”的物体，这是一种十维空间中的低维物体，就好像我们三维空间中的二维膜。

按照这种观点，我们所感受的三维空间可能就是十维空间中的一种膜，这些膜上附着了许多弦，一端终止在膜上，另一端或终止在同一膜上，或终止在另一个平行的膜上，或伸向无穷远处，这被称为“开弦”。这些弦的振动是一些波，同时根据波粒二象性，也是粒子，就是我们平时所看到的夸克、电子、光子等。由于开弦的一端附着在膜上，因此这些粒子始终在膜上运动，而无法离开膜，由这些粒子组成的我们就无法感受到高维空间的存在，而只能生活在膜世界之中了。

虽然高维空间和膜世界是现代物理学中很流行的猜想，但库伯作为膜内的生物能进入并感受高维空间就纯粹是幻想了。

人们对这部影片评价不一。该片场面宏大，构想天马行空，颇具创意，但人物性格塑造比较单薄。在科学方面，关于黑洞、虫洞、高维空间的塑造也的确独具匠心，但剧中许多情节虽不明显违背科学定律，却很不合理，以致遭到很多“吐槽”。也许，将本片称为带有缺陷的杰作才比较合适。

（本文摘自陈学雷科学网博文《星际穿越之科学幻想》，载于《中国天文杂志》。小标题为编者所加，有删节。）

▲ 影片中黑洞附近的行星

▲通常想象的黑洞和周围的吸积盘 图片来源：百度图片