科幻解说之《星际穿越》——虫洞与黑洞、引力与时间

首师大天文社 2018-10-18 08:59:10

前情提要:

库珀发现了NASA的秘密基地,进入秘密基地成为一名宇航员带领队伍进行星际探索,寻找下一个宜居星球。在飞向土星的路上,库珀需要在途中进入前期探索的12考察之一的米勒星球探查。但是米勒星球临近黑洞,具有很强的引力,强大的引力引起时间的畸变,米勒星球一小时等于地球时间7年,而下一个星球又需要几个月的飞行时间。为了节约时间和燃料,库珀一行人决定,绕过引力峰值,探查米勒星球并接回前期飞行员米勒,再前往下一个目的地。


电影中说,到达土星需要两年的时间

地球距土星大概最近距离为8AU(1AU为一个天文单位,是地球到太阳的距离,约为1.5亿公里),所以土星距地球12亿公里。1光年=63204AU。以1年=365天5小时48分45.9747秒,光速=3亿米/秒来计算,1光年=90万亿千米。所以电影中并没有进行光速旅行。


引力和时间

在库珀跟女儿说他要离开的时候,库珀说:“当我在外太空接近光速飞行或者接近黑洞时,时间会过的很慢。”

布兰德在库珀和她在米勒星球时,库珀想找一个方式弥补耽误的时间,布兰德说:“时间是相对的。时间可以被伸长,也可以被压缩,就是不能回转。唯一可以在维度中跳跃的,是引力。你应该懂相对论的。”那么,将时间和空间统为一体的“时空”一词的发明者爱因斯坦究竟说了什么呢?

引力会影响时间。越高的地方受到的引力越少,时间流逝也快。所以在太空中的卫星会有一个卫星时间,比地球会快一些。GPS卫星每天比地球时间快38微秒。

运动也会使时间变快。所以科幻小说中会写常年在太空中光速飞行的宇航员会活的更久,也有说星际航行是延长人类寿命的一个方式,所以宇宙时期的人类会因为医疗科技和长时间星际航行的方式有更长的寿命。

同时,影片中有一个贯穿全片的概念“引力异常”。什么是引力异常?是根据现有手段无法解释的引力现象。影片中引力异常不是地球的物理现象发生了什么畸变,而是一次可以引发另一场科学界重大发现的契机。当库珀的女儿发现了虫洞中的奥秘时,就是一次科学革命的开始:人类发现了四维空间和五维空间,将全人类搬迁到了土星附近,拯救了全人类,也将人类文明带领到了另一个高峰。


黑洞和虫洞


相对论提到假说,时空旅行的便捷方式是通过虫洞。电影在基普索恩的指导下刻画了一个爱因斯坦假设中非常逼真的虫洞。虫洞是一个球的形状,但是平时我们见到的都是二维的画。黑洞是高质量、高密度的,所以会有很大的引力。假设太空是一个有弹力的平面,上面的物体质量越大,在一个引力平面中就会形成越深的下陷。科幻小说中会幻想黑洞的下凹形成黑洞通道,成为时空中星系间通行的快速通道。但是黑洞的通道不是时时刻刻都开放的,需要能量补充才能持续开放一段时间,以保证飞船通过时通道不关闭。穿越虫洞时,虫洞并不会直接撕裂任何物体,内部也会有一个缓冲区,库珀进入的就是一个缓冲区,在这个缓冲区,飞船可以正常的行驶。

黑洞的视界(Event Horizon)这个视界的边缘逃逸速度为光速。就目前来说看,没有什么东西可以超光速,所以现阶段理论上只要是跌入黑洞就不能逃出。但在视界之外,并没有那么强烈的引力,所以黑洞外米勒的星球仍能正常绕黑洞公转,虽然引力相对于地球有很大不同。男主也能正常的进入黑洞,但不进入视界就是安全的。

虫洞

虫洞只存在于爱因斯坦的理论中,并没有被证实,多在科幻小说中被当做穿越的素材。而黑洞是已经证实是存在的,是太阳质量30倍的超大质量恒星坍缩后形成的,恒星的质量和密度坍缩成一个点,也就是奇点。我们知道,在黑洞中的物理现象与地球完全不同,黑洞吸收所有东西但不吐出,包括光,由于没有光的外射,我们没有办法直接观测黑洞,只能等到其他的科学方式发明出来再去观测。与黑洞相对的是“白洞”,是黑洞老化后的阶段,由吸收物体变为吐出物体。也有说虫洞连接黑洞和白洞,但都没被证明。现阶段只知道黑洞是存在的,虫洞、白洞都是假说。




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