科幻与科学:《星际穿越》中的黑洞卡冈都亚

京科普 2018-09-14 11:29:58

克里斯托弗·诺兰凭借指导《星际穿越》入围第41届美国科幻恐怖电影奖土星奖最佳导演。2014年末,《星际穿越》再一次在中国引发了科幻浪潮,《星际穿越》中的科学事实、猜想和推测引起了观众的无限兴趣。而黑洞卡冈都亚在电影中扮演了重要角色。



《星际穿越》海报


黑洞—光都无法逃逸的牢笼


黑洞是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的,除此无他。


假如你是一只蚂蚁,生活在一张儿童蹦床上——那种由高高立柱支撑起来的橡皮膜。此时,一块很重的石头落在其上,把橡皮膜拉向下方。不过,你是一只失明了的蚂蚁,看不见立柱、石头或者弯曲的橡皮膜。但你是一只聪明的蚂蚁,你怀疑自己生活于其中的整个橡皮膜(宇宙)是弯曲的。为了验证橡皮膜的形态,你先在橡皮膜上方靠外围的区域绕了一圈,并测量了圆圈的周长,然后你从这个圆圈的一头穿过中心点径直爬到另一头,并测量了圆圈的直径。如果你所在的世界是平直的,那么圆圈的周长和直径的比值应该正好等于圆周率。可是在蹦床上,你发现圆圈的周长比直径还要小得多。这让你肯定,你的宇宙是高度弯曲的。


爬在橡皮膜上的蚂蚁


在无自旋的黑洞周围,空间弯曲和蹦床类似。取黑洞的赤道面切片,你就会得到一个二维的表面。从高维空间中看,这个表面的弯曲方式和蹦床一样。图3展示了黑洞弯曲的空间,看起来和图1一样,只是我们移去了立柱和蚂蚁,并在黑洞中心用奇点代替了石头。


黑洞的弯曲空间


奇点是一个非常小的区域,在那里二维表面变成了一个点,所以空间才会产生“无限扭曲”。在奇点处,潮汐力无限强大,任何已知物体都会被拉伸和挤压到无法存在。


蹦床的弯曲是由石头的重量产生的。同样地,我们可能会猜想,黑洞的空间弯曲也来自奇点。但并非如此。事实上,它是由引起空间弯曲的巨大能量造成的。


正如准备射箭时拉开一张硬弓需要很多能量一样,空间弯曲也需要大量能量。而与弯曲的弓存储了弯曲能量类似(直到松开弦,能量才会从弓传送到箭上),弯曲能量也存储在黑洞的弯曲空间中,对黑洞来说,弯曲能量是如此巨大,以至于它本身就可以产生空间弯曲。空间弯曲这种非线性、自我循环式的行为违反了我们的日常经验,却正是爱因斯坦相对论物理定律的一个基本特性。这有点儿像科幻小说中,主人公回到过去并孕育了自己的情节。(《前目的地》这个电影有这样的情节。)


这种自我循环式的空间弯曲并不在太阳系中发生。空间弯曲在整个太阳系中都显得非常小,这种能量也微不足道,远达不到产生循环式弯曲的级别。太阳系内几乎所有的空间弯曲都是由质量,包括太阳的质量、地球的质量、其他行星的质量直接产生的。相反,黑洞的空间弯曲则完全由弯曲自身造成。


黑洞卡冈都亚的构造:推测却无法证实


如果我们知道黑洞的质量和它的自旋速度,那么通过爱因斯坦的相对论物理定律,我们便可以推算出黑洞的其他性质:大小、引力强度、视界在赤道附近因离心力而向外延伸的程度,以及黑洞对其背后天体所产生的引力透镜效应的细节,甚至黑洞所有的性质。(就好像一旦知道了我的体重和奔跑速度,就能推断出关于我的一切)正如电影《星际穿越》所展示的,通过研究米勒星球的性质,物理学家通过相对论推断出卡冈都亚的质量和自旋速度,从而了解关于此黑洞的所有事情。


而对于卡冈都亚的结构奥妙,只能去推测而无法证实。


《星际穿越》的科学顾问基普·索恩在解读星际穿越的时候,曾经对卡冈都亚做了合理大胆地推测。

卡冈都亚的结构


在如图的卡冈都亚周围,有一个类似“火壳”的东西。引力在黑洞附近是如此强大,空间和时间弯曲是如此强烈,以至于光线会被困在视界外的轨道上,绕着黑洞一圈又一圈地转动,很长时间后才可以逃脱。这些禁锢光线的轨道不稳定,因为光线最终总会逃离它们。索恩教授喜欢称这些暂时被禁锢的光线为“火壳”。


可能《星际穿越》在中国引起的热潮已经过去,但通过这部电影我们可以更大程度地去了解宇宙,了解那些神秘的科学力量。电影中的每一个华丽特效都是一场严谨的科学追求,希望中国未来的科幻电影也要有如此探索的精神。

(来源:科普中国)



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