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星际穿越多少科幻多少现实

发布时间:2020-07-13 12:37:05 阅读: 来源:卷闸门厂家

影片《星际穿越》中展现的依靠旋转获得重力的飞船。

截至12月2日,美国科幻影片《星际穿越》在中国内地创下6.7亿元票房,并连续三周保持票房冠军。

一向以天马行空、视效惊人见长的美国娱乐大片,吸金能力强大并不值得称奇,但作为面向大众的科幻电影,能引发科学界的关注和热议,并不多见。据报道,影片《星际穿越》的主要情节,基于天体物理学家基普·索恩的理论支撑。基普·索恩甚至亲自操刀,帮助影片建立数学模型,在计算机帮助下,最终描绘出“虫洞”、黑洞等宇宙奇观。国内外许多知名学者都对影片中展现的场景表示认可,连著名物理学家斯蒂芬·霍金都不吝赞美,称影片绘制出迄今最为真实的黑洞模样,并表示这部影片对自己的生活产生了影响。

“作为一场华丽的视觉盛宴,《星际穿越》在实现娱乐化功能之余,也成为一堂向大众传播天体物理学知识的精彩科普课。”中国科学院国家天文台硕士生导师、河北师范大学物理科学与信息工程学院教授杨大卫在看完影片后表示,《星际穿越》展现的不仅是瑰丽想象的幻境,更有人类科学疆界前沿已经窥见的现实。

旋转式飞船和太空城? 科学现实 惯性离心力代替重力

单摆运动、陀螺运动、水膜和水球实验……2013年6月20日,在离地球表面300公里的天宫一号讲台上,中国第一位太空女教师王亚平,向全国6000万中小学生演示了一堂生动的物理实验课。普通的物体在太空中呈现的新特性,成为这堂课的展示重点,而其中多数现象都源于太空“失重”。

但在《星际穿越》中,观众发现,无论是在宇航员乘坐的飞船还是在人类移居的大型空间站中,太空“失重”这一常识现象都消失了。原因何在?

“许多观众都注意到了,影片中的飞船在飞行过程中始终快速旋转,而这正是‘失重’现象消失的原因。”杨大卫说,“作为一种设计原型,可旋转的环形飞船形象早已出现。100年前,被誉为‘宇航之父’的前苏联著名科学家齐奥尔科夫斯基就曾在自己的科幻小说《宇宙的召唤》中,描写了相同结构的航天器。”杨大卫进一步解释说:“我们在车辆快速转弯时常能感受到一股向外甩的离心力,而飞船在旋转过程中,恰恰产生的就是这样一种惯性离心力。根据广义相对论的‘等效原理’,惯性离心力可以代替重力。根据影片叙述,旋转可以让飞船产生与地球表面相仿的重力,这就让宇航员在太空中找到如履平地的感觉。”

“对于星际航行而言,重力不仅是舒适需要,更关乎生命健康。”杨大卫说,长期失重不可避免地会带来宇航员肌萎缩、骨疏松等问题,因此制造“人工重力”是必要的。

影片中人类为何最终选择在土星附近建设太空站?杨大卫认为这一情节也有其“深谋远虑”的合理性。“恒星有其自身演化规律,随着时间流逝,太阳也会最终走向衰亡道路,这个过程会使太阳不断膨胀,通过次巨星的阶段,直到达到红巨星的状态。此时,距离太阳较近的地球、火星等行星将被吞没,而土星则在安全范围内。此外,与早期地球有着相近结构和大气成分的土卫六也有具备成为新居住地的可能性。”

“天上”一小时相当于地球七年? 科学现实 “时钟变慢”已经证实

《星际穿越》中,宇航员库珀降落在绕着黑洞转的一颗行星米勒上,根据描述,该星球上的1小时相当于地球上的7年。待库珀在几个小时内紧张完成任务返回留守母船时,留守母船的罗米利教授已度过27年,容颜苍老。而在影片结尾,依然年轻的库珀与小女儿相见时,小女儿更已老态龙钟。

令人唏嘘之余,许多观众也充满疑惑:星际旅行中,真的会存在“时钟变慢”的事情吗,古代传说中“天上一天,地上一年”的说法真的有科学道理?

“首先我们应该明白精准的时间是如何被测量的。”杨大卫解释说,基于周期性运动即保持固定频率的物体都可以作为时钟使用,其中精度最高的是基于光学频率的“光钟”,每7000万年误差只有1秒。

“如果由引力造成的时间变慢现象存在,那么当光波或者其他波动经过重力场源,如巨大星体或黑洞时,光将受到引力拉伸,由于红光的波长比蓝光的长,所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端,也就是光会发生频率变低,波长增长的现象。爱因斯坦对此作出预言,并将这种与时间变慢相联系的效应称为引力红移。”杨大卫介绍,“这个预测已经得到了实验证实。”

上世纪60年代,哈佛大学研究人员在杰弗逊物理实验室塔顶,距离地面74英尺的高度,放置了一个伽马射线辐射源,并在地面设置了探测器。他们先后测量了辐射源从上向下辐射和从下向上辐射的伽马射线频率变化,最终在实验中证实了引力导致的红移,相应地证明了“时间变慢”现象的存在。

实际上,在现实生活中,当信号在轨道卫星和地面基地之间传递时,频率和时间也会因引力红移而改变,卫星导航系统必须将它考虑在内才能准确工作。

“受引力影响,在珠穆朗玛峰峰顶的时钟将比在海平面要慢,当然这种差距对普通人来说可忽略不计。”杨大卫表示,在《星际穿越》影片中设计的黑洞具有强大引力,这一“时差”就十分惊人了。

穿越“虫洞”可时空旅行? 科学现实 “虫洞”尚未被观测到,仅为数学模型

以现有航天器来说,行星际的旅行往往耗时数年,跨越距离以光年计的恒星际旅行耗时更为漫长。而在《星际穿越》中,“虫洞”的出现,让星际之旅转瞬完成。

神奇的“虫洞”是否真的存在?

“就目前而言,‘虫洞’只是广义相对论的一个时空数学拓扑模型。”杨大卫表示,“虫洞”又称爱因斯坦-罗森桥,是上世纪30年代爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时做出的假设。“根据这一假设,科学家认为透过‘虫洞’可以做瞬时的时空转移。但迄今为止,科学家们还没有观测到虫洞存在的实际物理证据。”

在理论上,“虫洞”是一个多维空间隧道,是无处不在但转瞬即逝的,“虫洞”的另一边是所谓的“镜射宇宙”。也有人假想一种奇异物质可以使虫洞保持张开。根据这一假想,一种叫做幻影物质的奇异物质同时具有负能量和负质量,因此能创造排斥效应以防止虫洞关闭。这种奇异物质会使光发生偏转,成为发现虫洞的信号。但是这些理论存在过多未经测试的假设,很难令人信服。

“即便如此,科学家们还是按照自己的计算,模拟出了可能存在的‘虫洞’样貌,但在影片中出现的‘球型虫洞’,并未出现在一般的教科书中,相信应该是天体物理学家基普·索恩的‘杰作’。”杨大卫同时认为,因为“虫洞”的另一端连通的是另一个星系,因此电影《星际穿越》的名称有失准确,“名为《星系际穿越》更为恰当。”

宇航员可安全进入黑洞? 科学现实 计算证明黑洞质量越大越“温柔”

密度极大、引力极大,可吸收一切物质,连光都被它完全吞噬,黑洞由此得名。

而在《星际穿越》中,宇航员库珀进入黑洞内部的情节令许多观众不解:“黑洞如此强大,不是应该将周围的东西都撕成碎片吗?活着进入黑洞有无可能。”

“影片中提到黑洞质量越大,就越‘温柔’。我认为,这实际上是指黑洞的平均密度较低。”杨大卫在记者面前接连写下一串方程式进行计算,“如果满足临界质量的物质系统,其体积足够大,按照这一方程式,那么它的平均密度为……”推导之后,一个惊人的结果产生了:黑洞的平均密度与质量的平方成反比。“这意味着,质量若是原来的千倍,则平均密度仅是原来的兆分之一。”

“不少人认为黑洞的密度一定极高。实际这样说并不准确,因为就像公式计算结果一样,黑洞的平均密度不一定大。或者说,像影片中出现的如此庞大的黑洞,平均密度将比想象中低得多。”

黑洞由中心的奇点和外围的视界组成。根据测算,太阳如果坍缩成黑洞的话,半径只有不到3公里。对于这种“小黑洞”而言,其视界表面受到的潮汐力很大,足以撕碎任何物体。

但是出现在电影中的黑洞则完全不同,它的质量非常大,其视界表面的潮汐力则变得非常小,普通人甚至无法感知。

“这意味着,在视界附近,库珀未被引力撕碎的可能性理论上的确存在。”杨大卫说。

“引力弹弓”能帮飞船脱离黑洞? 科学现实 是的,我们一直在这么干

影片高潮阶段,由于缺少燃料,母船无法向地球返航。但最终,库珀手动操作飞船环绕黑洞旋转,利用黑洞的引力弹弓效应为飞船加速,最终帮助飞船抵达第三颗星球。

“这一出现在科幻影片中看似不可能完成的任务,实际上完全可以用物理学来解释。不仅如此,我们人类已经多次在宇宙探测任务中,应用了引力弹弓效应原理。”杨大卫解释,所谓“弹弓”,就是弹性势能转化为动能的装置。片中的“引力弹弓效应”是利用木星(太阳系中质量最大的行星)的引力对飞行器加速,在飞行器掠过木星附近前,将行星引力势能不断地转换为动能,以节约燃料。

2011年,由美国宇航局发射的木星探测器“朱诺”,是个有着3.2吨体重的“大块头”。发射探测器的火箭无法提供足够的能量让它飞到木星,为此,任务小组为它设计了飞掠轨道,借助行星引力产生的“引力弹弓”为其加速。据测算,这次加速提供的能量可以产生相当于发射它火箭的70%的起飞推力,可以让探测器实现每秒38.9公里的高速度,这是音速的114倍。

关于引力的描述贯穿电影全篇。对于电影中提及的“能够穿越维度的只有引力”,杨大卫解释说,牛顿的引力理论认为天体间由引力场传播引力,而时空与物质无关。但爱因斯坦的广义相对论则在本质上否认有脱离时空的引力或引力场存在。爱因斯坦认为所谓“万有引力”,只不过是“时空弯曲”的表现:物质“告诉”时空如何弯曲,反之弯曲时空又“告诉”物质如何运动。“因此,引力波应视为是时空的‘涟漪’,正因如此,它可以在时空中扩展。”

不过杨大卫同时表示,引力波通讯目前很难实现。影片中利用引力波控制秒针的抖动频率,只是对引力通讯的一种假想。(记者 郭伟)

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