电影《星际穿越》解读

《星际穿越》解读

编者按：看完IMAX版的《星际穿越》已经三天了，小编的亢奋劲还没有过去。各种问题不时地冒出来，恨不得抓住一个人就想讨论电影中的情节。腾讯电影本期为大家带来理工男如何看《星际穿越》，满满都是干货，相信会解答你心中的一些疑惑。

腾讯娱乐专稿（文/胡晓策划/三替）

（作者简介：胡晓，男，23岁，钟情物理多年却最终选择了天文，平时对航空的热爱则超越了星辰大海，憧憬着来美帝玩枪结果花了三年时间射箭，现在每天以做饭喂饱自己为荣。）

作为多年的理科癌患者，我的确很喜欢诺兰的电影，但又受不了对他的无限拔高，比如对《盗梦空间》的过度解读。由于诺兰《蝙蝠侠：黑暗骑士》的超水平发挥，导致了我对《蝙蝠侠：黑暗骑士崛起》过于期待，看后失望之余觉得诺兰也不过如此。不过，我的怀疑在看完《星际穿越》之后彻底烟消云散了，诺兰的确是目前最具大师气质的导演，《星际穿越》也是目前所有电影里科学和艺术的最完美结合。只可惜“卧梅又闻花”，写一个完整的影评实在力所不逮，我还是多聊一聊片中涉及到的科学知识吧。

1、枯萎病有可能产生吗？无人飞机、拖拉机的导航故障是什么原因？

首先，《星际穿越》的背景很费了该片的科学顾问基普·索恩（美国物理学家，当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一）一番心思。作为物理学家，索恩自然不是生物学/环境专家，为了保证“植被大量枯萎”这一假设有科学依据，他准备了美食请来加州理工学院的一大波相关教授，其中包括1975年诺贝尔医学及生理学奖获得者戴维·巴尔的摩（David Baltimore），组织了一次两个多小时的讨论会。

1、《星际穿越》剧照：枯萎病爆发的地球，只能种玉米

专家们表示，虽然目前地球上不存在这种可以灭绝整个植物界的枯萎病，但是假如有某种病原体专门欺负叶绿体的话，那还是可能的。总而言之，这种枯萎病造成大量粮食减产和地表荒漠化，也就带来了片中地球上无处不在的沙尘暴。

另一个重要线索，也是令人类勇敢踏上外星之旅的，就是NASA观测到的引力异常。这种引力异常使布兰德教授相信引力是可以被操纵的。只要他能从理论上解决这个问题，人类最终可以通过操纵引力大规模离开地球，去新的宜居星球定居。

值得一提的是，影片中出现的导航故障（军方无人机，库珀家的无人收割机）并不一定是磁场紊乱的结果，倒更像是引力异常的直接效应：GPS卫星为了保证精度在计算导航数据时必须考虑地球引力对时空的影响，如果引力异常，原先的算法自然无法保证导航的正常工作了。

2、诺兰团队拍《星际穿越》的副产品：顺手发学术论文

基普·索恩是当代广义相对论和黑洞物理的顶级大师，在此向大家强烈推荐他的名著《黑洞与时间弯曲》。索恩对本片的剧本创作贡献很大，他还拉着诺兰的弟弟乔纳森去加州理工学院学习了广义相对论，诺兰本人则去了SpaceX，即太空技术探索公司感受了造火箭的气氛。（SpaceX：该公司曾放出豪言，2100

年要主宰太阳系）

基普·索恩

值得一提的，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授亲自写的，他还为片中布兰德教授的理论创造了几个有物理含义的变量。这样的创作实践，不仅仅在电影界，在科学界也是前所未有的。《星际穿越》上映前后，“诺兰的Group”会至少发两篇论文，一篇黑洞物理，一篇计算机图形。论文如何我们暂且不管，先聊聊《星际穿越》的重头戏，虫洞和黑洞。

3、为何主角们在虫洞里只能接收信息，从未向地球发送信息？

这是刻意的情节安排，往回发送信息的速率低。

那个在土星附近，连接太阳系和外星系的虫洞，无疑是本片最大的亮点。

虫洞作为爱因斯坦的广义相对论框架下时空的一个可能解，早在上个世纪初就被从理论上给出过。只是当时没人在意，直到1930年代被爱因斯坦和罗森再次“发现”（他们也不知道之前就有人解出来过）。这种可以在三维空间里制造“时空跳跃”的结构，被称为“爱因斯坦-罗森桥”。但是根据广义相对论，如果没有特殊手段维持虫洞，虫洞的寿命几乎是0——刚刚形成的超时空连接会在瞬间断开，这个瞬间短到哪怕光也来不及穿越。

《星际穿越》剧照：虫洞

在《星际穿越》中提到，这个虫洞是”They”放置在那里的，按照基普·索恩的解释，这种超级文明可能是通过高维空间打开了这个通道，无论如何，这种保持开放的虫洞具有和黑洞不同的性质：它不存在所谓奇点，也不需要多少质量，也没有类似黑洞的“视界”：它的大小取决于通道本身的宽度，当然由于通道周围也会有一点时空弯曲，依然能看到类似黑洞的引力透镜效果。虫洞看起来啥样主要取决于它另一端在哪儿，就像一个远程鱼眼镜头。把图像呈现在它的球形表面通道的“长度”越长，我们看到的图像就越扭曲，所以电影里的是一个通道较短的“短脖子”虫洞。

虫洞能够穿越时间的示意图

影片中的虫洞虽然是双向的，但是主角们穿越之后似乎从未向地球发送信息，而是只能接收。和系里的美国同学讨论之后，我们认为这是导演为了情节的刻意安排，而影片里的解释是往回发送信息的速率非常之低，比拨号上网还要低好多倍……

4、电影里对黑洞的表现如何？

近乎完美，超越了目前最卓越的科研成果。

《星际穿越》剧照：黑洞

《星际穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘，具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating）。大家知道，如果这个盘是个整体的话（不同半径角速度

相同），那么越到内侧盘的线速度应当越来越小，但实际上在引力作用下，盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动：轨道越低（内侧），线速度反而越大，这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物质是在相互“滑动”的，这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。

于是，大多数时候，我们看到的黑洞是如下图这样的。

资料图

当然，我们还知道黑洞本身不发光，引力会弯曲空间，于是我们看到的黑洞还是这样的：

资料图

这是几天前的APOD(NASA发的天文每日一图)，计算了黑洞对后部星系图像的弯曲。