
不要无所事事地走进那个安静的夜晚…..
无能和懒惰值得被烧死……然后在一天结束时散去……
愤怒,对光明的死亡感到愤怒。
智者们在生命结束时意识到黑暗是真实的……
因为他们的话并没有传播闪电。
愤怒,对光明的死亡感到愤怒…… ..[1]
2019年4月10日,全世界庆祝拍摄了第一张黑洞的真实照片,因为之前在互联网上流传的所有照片都只是视觉模拟。这一事件值得庆祝,因为我们能够观察到宇宙中最重要的自然现象,对此的争议已经持续了近一个世纪。它是由德国天文学家卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 于公元 1915 年根据伟大物理学家阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 的广义相对论方程首次在数学上发现的。在此背景下,本文对 2014 年 11 月上映的电影《星际穿越》进行了科学评论。这部电影因其背后的科学准确性而受到了2017年诺贝尔物理学奖获得者当代物理学家和天文学家基普·索恩的积极批评。

在开始讨论电影的故事之前,我想指出,这是对电影的科学评论,没有提及一些限制观众的想象力的事件。不过,我建议在阅读文章之前先欣赏一下电影; 因为《星际穿越》不仅仅是一部具有巨大媒体反响的好莱坞电影; 而且还是一部通过思想的深度和场景的简单性来呈现的艺术杰作。为了实现制作科幻电影的预期目标,科学现实主义的分量与电影想象力及其工具的创造力相平衡。从天才导演克里斯托弗·诺兰开始,我们通过《记忆碎片》、《威望》、《黑暗骑士》和《盗梦空间》等伟大电影认识了他。 演员阵容包括马修·麦康纳、安妮·海瑟薇、杰西卡·查斯坦、迈克尔·凯恩、比尔·欧文。 难怪时代音乐的天才设计师汉斯·齐默参与了《星际穿越》的配乐,他音乐的振荡将我们带到黑洞引力波的地平线,让我们置身于土星环的深沉寂静中。
影片的故事以法默·库珀为中心,在美国宇航局被政府关闭之前他担任工程师和航天器指挥官。 他还是两个孩子的父亲:汤姆和墨菲,他们和祖父一起住在一个大农场中间的一所房子里。墨菲是一个十岁的女孩,她通过向父亲提问而表现出智力早熟的迹象,并且全神贯注于房间内发生的一件重要事件。有一个图书馆,占据了一整面墙,书有时会从里面掉到房间的地板上,她总是想知道为什么,而她的祖父却给了她现成的答案,那就是鬼。
库珀好奇地发现了他执行目标任务时携带的秘密地点的坐标,其目标是:“寻找一颗宜居星球。”为了实现这一目标,任务分为两个计划:
第一个计划:通过引力波运送人类,其方法仍然停留在布兰德教授的方程中。
第二个计划:是第一个计划失败后的替代计划,打算将人类受精卵转移到新星球上,这些受精卵将伴随库珀和他的宇航员同伴乘坐飞船前往新星球。
电影中的事件似乎发生在从我们现在的现实延伸出来的未来,从我的科学角度来看,它似乎非常接近。电影中出现了一些指标,关于不久的将来地球上人类的生活的观念和概念。这些指标并非科幻小说,而是当今科学实验室实验现实的反映。
气候变化

地球正在变得不适合居住,原因不是人口密度太大,而是气候变化,危险信号正在响起,威胁着祖国(地球)和我们人类。据统计,近三十年地球的温度正在快速上升,2015年记录的最高升温为1.08°C [2]。记录地球温度上升 1°C 意味着我们已经到了危险的边缘,因为如果这个温度翻倍达到 2°C,地球将不再适合生命生存。科学家估计,如果人类继续浪费地球资源,2090年至2100年间,气温可能上升2°C。
电影《星际穿越》令人印象深刻的是,它将这种变化转化为沙尘暴,而不仅仅是科学真理的缩写,但正如我们稍后将看到的,将重力概念作为物理维度。而气候变化的第二个影响是氧气含量下降,这就产生了一种呼吸人类无法呼吸的氮气的害虫,而氮气在大气中含量丰富,进而导致这些害虫的极速繁殖,毁坏了农作物,粮食资源变得稀缺,迫使人类把精力转向农业。
太阳能
库珀坚持跟随的飞机是一架太阳能飞机,它的效率为库珀的农场提供了足够的能量,他后来将用它来操作农用拖拉机。这意味着它的效率高于当今实验室中太阳能电池的效率,已达到约45%[3] 他对飞机飞行场景后面的风力涡轮机的景色非常着迷,加上天际线和海洋的自然美景,这是影片中最明亮的,也反映了可再生能源的光明未来。
人工智能


电影中的人工智能被用来执行比现在更复杂的任务;例如:无人航天器,但它仍受人类的控制,是通过对每个任务进行适当设置控制的,或者有时机器人与人类协同工作,但复杂精度的任务由库珀执行,就像在他们从地球大气层中出来的飞行器与在太空中等待他们的“坚忍号”飞船的对接那一刻。这种人类与人工智能的合作,与大多数科幻电影描绘机器智能相对于人类智能的优越性所解决的伦理问题相去甚远,因此它们试图消灭人类,因为幽默感、真诚和坦率是可编程元件。另外,两名船员Tars/Case身上的人工智能的出现与通常相反,因为它没有人类的形态,这也接近现实,因为今天的机器人设计已经从人类中脱胎而出。偏向于适应类似于人类的运动能力或与任务要求成比例。事实上,影片的意义远不止于此,Tars 机器人与 Case 机器人的性格不同,符合航天员团队的战友精神的意义,宇航员团队将在令人恐惧的孤立和未知旅程的压力下度过大量的时间。
人工重力

这艘坚忍号飞船的精确设计,是视效团队花费了大量精力从多个方面进行模拟和拍摄的,它由12个持续旋转的盒子组成,直到与飞船对接的那一刻。这种绕固定轴的旋转形成了等量的重量,即“离心力”,类似于地球引力对物体的作用,因为我们的身体无法忍受长时间零重力,会导致肌肉逐渐萎缩。如果考虑到米勒星球的高引力影响,科学准确性将会很高,米勒星球的引力估计为地球引力的 130%,人体应该会被压碎。
生物进化
这部电影在很大程度上涉及了人类在生物学中的进化,一方面是在特殊床上的休眠过程中,以提供氧气和食物,另一方面是为了保护人体免受时间和年龄的影响。至于冷冻受精卵,科学上称为卵母细胞冷冻保存,是可行且先进的,成功率超过30%。
空间维度
这部电影的精髓在于其复杂的故事,因为难以理解时间和重力,我将尝试通过将事件划分为空间来简化事件。想象一下,有三个空间,那么每个空间都与三个因素相关:地点 – 时间 – 物理维度
A空间
地点:地球
时间:地球时间
尺寸:3 个物理维度

在这个空间中,构成现代物理学部分定律的经典物理牛顿定律发挥作用。我们人类知道三个物理维度,即长、宽、高,我们称之为地点。至于时间,它与地球绕太阳运动有关,我们对时间的测量无非是地球绕太阳运动完成的一个完整周期,我们知道这个周期相当于365天6个小时。一天是根据地球绕地轴自转计算的,大约为 24 小时。我们都知道,时间与地点有关。例如,利雅得的下午五点钟,就是伦敦的下午两点钟。 所以我们代表的时间与地球的运动一致,因为我们属于地球,但我们的地球时间在离太阳更近或更远的行星上没有任何意义。因此地球时间在另一个星系,其行星和重力与我们的太阳系完全不同就没有任何意义的,因此,牛顿定律在地球大气层第一层之外失效。
B空间
地点:虫洞后的新星系
时间:相对时间
尺寸:4 个物理维度

在这个空间中,爱因斯坦的广义相对论定律准确地解释了宇宙。时间将空间的三个维度连接起来作为第四个物理维度,共同形成一个称为时空的结构Space-Time。
引力波
广义相对论中的引力是由于时空结构中的质量效应而发生的扭曲(异常)。由于宇宙正在膨胀,行星和恒星的质量在移动时会影响时空结构,导致引力扭曲,产生引力波。这有点像身体在上面移动时产生的水波纹,当然,身体的质量越大,波纹的频率就越大。公元 2016 年,人们首次在两颗中子星的碰撞中检测到引力波,这距离相对论预测引力波整整过了一个世纪。科学家基普·索恩在发现这一领域一年后就获得了诺贝尔奖。在影片中,他们在土星附近发现了引力异常,导致库珀在美国宇航局工作时的航天器坠毁,他们还发现了虫洞。
虫洞

它是广义相对论预言的时空结构中的一条理论通道和一个理想的数学解决方案,科学上称为爱因斯坦-罗森桥,由科学家爱因斯坦和内森·罗森提出并发展的。从数学上来说,它是一种比电影中所涵盖的要复杂得多的结构,我们还无法证明它,因为它需要非常巨大的能量,但它是科幻电影的肥沃材料,因为它们受益于它的数学概念,它被概括为恒星或星系之间旅行时间经济的捷径[4]。根据科学家基普·索恩研究的虫洞方程,二维空间中的虫洞被想象为圆形,但在时空结构中,虫洞的形状是球形的。

相对时间是爱因斯坦相对论中的时间,它是一个物理维度,与空间的三个维度一起形成时空结构。这种结构受到物体质量的影响。对于太阳或地球等非常大的物体,它们的质量会导致时空扭曲。 这种扭曲导致光在传输过程中发生弯曲,物体的质量越大,光的偏转量就越大。一个世纪前,物理天文学家阿瑟·爱丁顿领导的一次探险队已经通过实验证明了这一点。 如今,大气卫星在精确的 GPS 计算中考虑到了这种扭曲。
这种时空结构扭曲也会随着重力的增加而增加,因此时间会膨胀。 这种科学现象被称为引力时间膨胀,意思是当一个物体具有非常高的引力时,比如黑洞,时间会过得很慢。所以库珀在位于黑洞引力范围内的米勒星球上只待了三个小时,但以地球时间计算却超过了二十三年。
空间C
地点:卡冈都亚黑洞
时间:作为第五维度的时间
尺寸:5 个物理维度

黑洞
为了理解黑洞,物理定律必须协同作用。 物质原子中有一个非常巨大的空洞,这些空洞是在具有巨大热能的恒星中通过核聚变形成的,以制造元素。如果恒星的核燃料耗尽,那些连接原子基本成分的力之间的平衡就会受到干扰,这些是引力、核力以及推动恒星成分飞入太空的力。核燃料的耗尽使重力占据上风来压缩原子的物质质量。 质量收缩成半径非常小的物体,科学上称为“史瓦西半径”。这个物体就是黑洞,像太阳质量的质量,半径为3公里,就会变成黑洞。然而,要形成黑洞,物体质量最低必须达到太阳质量的三倍以上。宇宙中充满了黑洞,甚至我们的银河系中间也有一个。黑洞是广义相对论中爱因斯坦方程的自然结果。其实验证据是公元2016年两颗中子星首次碰撞形成黑洞而产生的引力波。
A空间是我们确切知道的物理现实,B空间是我们可以想象的科学上真实的相对空间。 至于空间C,是我们数学上知道的一个空间,但是还没有被科学证明,原因有两个:
第一:由于引力很大,光不会从黑洞中逸出; 因此,不存在可以监测或发送的电磁波来研究该物体的行为。
第二:黑洞是一个密度无限、引力非常高的物体,这里存在着一个试图在宇宙四种力(引力、电磁力、强核力和弱核力)中调和相对论和量子力学的统一理论。以解开引力奇点之谜。从数学上讲,解决方案在于五个维度,其中时间变得“冻结”,引力“无限”,这两个物理维度与空间的三个维度融合在一起。
因此,在黑洞内部我们必须放弃我们所知道的普通空间和普通时间的想法。

《星际穿越》电影团队将黑洞的空间想象成一个有五个维度的超现实的空间,因为这些维度能够在无限期内分解每个时空事件,并且这些维度之间的过渡类似于我们在空间的三个维度中的过渡,但通信是通过引力波完成的,因为它们是三个空间中唯一恒定的物理维度,这就是库珀试图在空间 A 与他的女儿通信时发生的情况。” “这不是时间旅行。” 相反,它是一种具有一定尺寸的新结构,以某种方式从C空间打开到A空间,在沙尘暴过后的房间地板上绘制坐标,库珀从中得知了秘密地点。
生存本能还是爱的本能
这部电影的创意比逼近科学现实和描绘未来幻想更全面,尽管我们对黑洞第一张真实图像的想象与电影中的描述非常接近,仅凭这一点就被认为是巨大的成功,除了视觉效果的优越性以及科学的准确性和值得奥斯卡奖之外。但伟大的成功在于隐藏的信息,即使在现实最黑暗的情况下也必须相信科学。库珀和他女儿的老师之间的对话清楚地表明了这一点,他们认为“阿波罗登月任务是美国政府为使苏联破产而进行的一场聪明的宣传活动。” 它还代表了政府担心将美国宇航局保留为秘密组织而引发公众舆论。在我看来,《星际穿越》的美妙之处在于电影留给观众的开放式结局。两个计划都成功了,但方法改变了叙述方式,让开头和结尾的循环不断扩展,就像我们的宇宙随着人类意识的发展而扩展,从三维宇宙到五维宇宙,超越了我们对线性时间的感知现实。

库珀在寻找新星球的斗争中做出的牺牲超越了人类自私的本性:
“我想到我的家人和数百万家庭。” 库珀与曼博士进行了争论,曼博士与布兰德教授一起认为,因为亲属选择‘’Kin selection theory”理论所解释的进化生物学,第一个将人类运送到宜居星球的计划不会成功。 [5] 利他主义是自然选择的基本行为,因为一个人与他的兄弟姐妹有50%的基因相同,所以一个人自然会选择偏爱那些离他最近的人,而不是那些离他最远的人。这就是布兰德教授所采取的做法,摧毁了他相信人类将共同努力的人性,超越了自私的深度,并屈服于他无法解决引力波方程中的时间之谜。
父女之间是爱,不是爱情,这里翻译为爱。艾米莉亚博士将爱定义为一种即使在没有社会利益的情况下也能持续存在的牢固纽带,它在意识中建立了科学无法证明的深不可测的维度。
问题始终存在:“我们会热爱我们的土地,超越我们自私的本性,并在人性中共同努力,以便我们永远不会离开它……?!”
参考文献:
[1] Do not go gentle into that good night. 威尔士诗人的一首著名诗Dylan Thomas 在他对父亲的悼词中,以伟大演员Michael Caine的声音表达.
[2] Resource: Forecast suggests Earth’s warmest period on record; Phys.org.
[3] NREL; Best Research-Cell Efficiencies (Multijunction cells, 2019)
[4] 太空中的距离以光年为单位,因为光在一秒内传播30万公里,因此一光年相当于9,460万亿公里。
[5] 这是由W.D.Hamilton 1960开发的进化生物学领域.Resource: Albert Micheletti; Evolutionary Biology PhD student.

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