克里斯托弗·诺兰的电影巨作《星际穿越》以独特的方式将广义相对论的复杂概念融入其叙事之中，从虫洞到黑洞，从时间膨胀到跨时空通信，我们将深入探索中的科学奥秘。我们将一探电影中的科学与科幻之间的微妙界限，分析其对宇宙极端现象的描述是否符合现代物理学，以及电影在艺术表现与科学真实之间如何取得平衡。如果你对于《星际穿越》背后的科学原理感到好奇，那就千万不要错过哦。
一、《星际穿越》与广义相对论黑洞、虫洞和时间膨胀。这些都是广义相对论的概念，克里斯托弗·诺兰在他2014年的电影《星际穿越》中以前所未有的方式编织了这些概念。尽管许多人喜欢它在时间膨胀的危险性上的突破性、科学性处理方式，但电影中的某些元素和结局似乎有些奇怪。环绕行星的巨浪、可以进入并利用引力穿越时空的黑洞。《星际穿越》有时感觉像是从科学走向了科幻。
二、虫洞的科学与虚构但究竟哪些是科学，哪些是虚构？电影中哪些部分处理得恰当？它在哪些地方采取了艺术性的自由，并偏离了我们当前的科学知识？你真的可以使用黑洞来跨越时空传达想法吗？今天，我们将了解关于星际的真相。我们将探索这部电影中的众多科学现象，这些现象是虫洞和黑洞的基础，并发现当你将时空弯曲到极致时会发生什么。
三、《星际穿越》剧情简介对于那些需要回顾情节的读者，让我们先简要回顾一下剧情。在电影中，一种被称为枯萎病的疾病侵害了地球上的农作物，人类对此束手无策，导致人口的崩溃和技术的衰退。电影中的主角，一位前NASA飞行员库珀，发现了一个隐秘的NASA基地，科学家在那里研究拯救人类的计划。希望完全落在了一个神秘的虫洞身上，科学家在半个世纪前，在土星附近的轨道上检测到了这个能够穿越时空的隧道，据说这个隧道通向可能适合居住的行星。在电影中，诺兰并没有将虫洞拍摄成毫无新意的传送门，而是通过在土星附近扭曲的空间来展现。
四、虫洞的理论探讨所以我们有了第一个科学上需要评估的点。这种虫洞的描绘是有道理的。虫洞是对宇宙结构的极端扭曲，类似于黑洞，只能通过它边缘附近的扭曲光线来看到。虫洞很有趣，我们已经通过爱因斯坦和相对论，对它大致有了一些了解。虫洞能够将空间甚至时间的不同点连接在一起，形成一种能够快速到达的捷径。
五、《星际穿越》中虫洞的艺术性解读电影中使用了一个经典的类比来说明这一点，展示了一支铅笔穿过一张代表时空的纸，刺穿形成了一条捷径。遗憾的是，虽然从理论上来说，虫洞是有可能被制造出来的，但我们实际上并没有制造虫洞的方法。虫洞存在几个问题。首先是它们的创造。《星际穿越》的科学顾问基普·索恩在电影上映后发表了几篇物理论文，讨论了他在电影拍摄过程中取得的科学进展。
六、时间旅行与现实世界的限制在一篇题为《视觉化星际穿越的虫洞》的论文中，他指出，要无中生有来创造一个虫洞是困难的，因为虫洞需要存在逆向时间旅行。假设如果我们能够创造出虫洞，那么将会有两个空间点保持连接。通过移动其中一个空间点并使其时间相对另一个空间点膨胀，可以实现时间旅行。当一个人到达另一个空间点时，他可能会发现自己回到了过去。这种情况下，如果他阻止自己进入空间点，将会创造一个悖论，即他既进入又没有进入传送门。这种情况打破了现实的常规逻辑，也使得理解变得复杂。有很多数学论证反对这种事情，例如史蒂芬·霍金的时间顺序保护猜想。
七、《星际穿越》的引力时间膨胀简单来说，这一理论指出，物理法则本身会阻碍虫洞的形成，这些虫洞是封闭的且类似时间曲线，其存在自始即受限。虽然这一点尚未得到证实，且基于一些常识性的假设——例如，时间循环难以被理解和接受，因此很难设想它们的存在。这个话题将在电影后段再次被提及。但是，时间旅行不是关于虫洞的唯一难题。理论上，通过虫洞进行旅行也颇具挑战。假设虫洞能被创造，其“喉咙”部分会迅速收缩，受到重力作用，原本用于穿越时空的通道便会关闭。
八、虫洞的科学与数学挑战所以，当电影中的主人公库珀尝试进入虫洞时，如果按照现实物理学原理，虫洞会立刻关闭，导致他的探险任务结束，这样的情节显然会令电影失去看点。为了让电影情节更加引人入胜，同时也让虫洞能够维持足够长的时间让人穿越，剧本中采用了一种数学上的设想。这个设想是，存在一种具有负质量的神秘物质。这种负质量物质必须被放置在虫洞的入口处，以此产生与虫洞闭合相反的效果，从而保持虫洞持续开放。虽然这听起来像是纯粹的虚构，但实际上也确实如此。我们至今未能发现负质量，也不了解如何制造它，因此这个想法更多地停留在数学理论层面。因此，尽管虫洞在科学理论上是可能存在的，但至少到目前为止，通过虫洞进行的旅行仍然只存在于科幻小说之中。
九、《星际穿越》中的虫洞视觉效果不过，如果没有它，电影的其余部分就无法发生，所以你可以理解为什么诺兰决定保留它。无论这个猜想是否正确，这种逆向因果关系都被植入了电影中，不仅因为虫洞的存在意味着它，而且在电影高潮时的一个揭露中也是如此，我们稍后会再谈到这一点。虽然虫洞的存在需要一些悬念，但虫洞的惊人视觉效果却不需要。事实上，电影团队使用了广义相对论的理论，数学地模拟了真实虫洞的样子，这实际上是数学建模的一个令人印象深刻的突破。
十、《星际穿越》中的引力时间膨胀现象现在我们来探讨影片中的下一个科学要点。在穿越虫洞之后，船员们抵达了一个名为加尔坤图亚的超大质量黑洞附近。围绕着这个黑洞，有两颗可能适宜生命存在的潜在行星。其中第一颗名为米勒星球，位于黑洞所产生的强大重力井的深处。影片中，一部分船员降落到这颗星球上，但他们仅在那里待了几个小时，就相当于外界经过了几十年。而留在宇宙飞船上的船员则不幸地以正常的时间流逝度过了这段时间。这一情节在电影中是合理的，它展示了引力时间膨胀的效应。引力时间膨胀是由于大质量物体引起的时空扭曲，使得在强重力区域内的时间相对于外部环境流逝得更慢，这一现象已经通过科学实验得到了充分的证明。
十一、科学与电影的艺术性结合引力时间膨胀是因大质量物体造成的时空弯曲所导致的现象。简而言之，当你处于更强的重力场中时，时间会流逝得更慢。这种现象甚至在地球及其轨道卫星之间也能观察到。比如，留在远离重力井的宇宙飞船上的船员会经历更快的时间流逝。与此相似，放置在GPS卫星轨道上的时钟每天比地球表面的时钟快45微秒。GPS系统必须考虑这一效应，才能准确计算位置。如果没有考虑这个因素，你的谷歌地图显示的位置将很快出现偏差。令人惊讶的是，用于解释黑洞和时间旅行的这一理论，也帮助我们在日常生活中进行导航，其重要性可见一斑。当然，在《星际穿越》中，这种时间膨胀效应被极端化了。在超大质量黑洞的强大重力井附近，一个环绕的行星可能会相比远处的观察者经历极端的时间膨胀。因此，电影中唯一值得挑剔的可能是从行星表面观察黑洞时，黑洞在天空中的大小。
十二、加尔坤图亚黑洞的科学与美学在《星际穿越的科学》这本书中，物理学家基普·索恩提到，《星际穿越》电影里的加尔坤图亚黑洞的质量是太阳的1亿倍。根据这个数据，如果按照科学计算，黑洞应该占据米勒星球天空的半边。但是，导演诺兰为了电影的视觉效果，选择让黑洞在天空中显得更小。这样做的目的是为了在黑洞成为剧情焦点时，能够更加引人注目。这一决定是一个典型的例子，展示了在电影制作中，美学效果有时会超越科学的准确性。
十三、库珀进入黑洞的科学探索我们将探讨电影《星际穿越》中最神秘和令人困惑的场景——库珀进入黑洞。为了确保任务的成功并帮助至少一部分船员抵达目的行星，库珀选择了自我牺牲，将自己投入了黑洞的核心。他的这一行动为其他人提供了逃离黑洞引力的动力。然而，情节的讽刺之处在于，这并非一如最初所预料的不幸结局。在黑洞的中心，库珀意外地发现了一个四维空间。在这个奇异的空间里，时间成为了他可以自由移动的一个物理维度。他利用这一能力，通过引力的影响跨越时空，与他在地球上的女儿进行了联系，并以一种超乎想象的方式向她传达了开启第一次星际任务所需的关键信息。
十四、黑洞理论与悖论的探索那么，我们来探讨一个复杂而宏大的问题：理论上，进入黑洞是否可能呢？
我们可以从探索简单地进入黑洞的概念开始。我之前提到过，进入黑洞并不容易。当你接近黑洞时，由于角动量接近相对论性的限制，你必须在继续下降之前减少动量。黑洞周围的吸积盘，是由物质快速旋转并试图减少动量以便更深入黑洞的现象。这个过程中产生的摩擦使物质变成了高温的等离子体。考虑到这些等离子体的温度可能达到数百万摄氏度，这对于任何试图接近黑洞的探险者，比如电影中的库珀，可能是致命的。
假设库珀设法找到了一条在进入时不会被高温等离子体烧毁的路径，那么接下来会发生什么呢？首先，当他穿过事件视界，也就是黑洞的边界时，连光线也无法从这个界限逃脱。从外部观察，你会看到反射在他身上的光使他看起来运动变慢，然后他的身体图像似乎在事件视界处冻结，逐渐变得模糊，最终消失不见。这是因为光线在极端的时空扭曲中被拉伸，波长变长，导致光线红移。
与此同时，库珀会开始经历被称为意大利面条化的效应。由于他身体不同部分所经历的重力梯度略有不同，时间的流逝也会有所不同，使得他的身体逐渐被拉长。这种拉力最终会超过他身体分子间的结合力，导致他的身体被撕裂。这个过程会一直持续，直到他最终变成一串分子坠入黑洞的中心。
不过，这些现象不一定都会在事件视界发生。事件视界本身并不是一个实际的物理对象，而是一个标志着光线可逃逸和不可逃逸重力区域的数学定义点。因此，库珀可能并不会察觉到自己穿过了事件视界。但有一个称为“光球”的现象可能会被感知。在黑洞的事件视界附近的特定区域，重力正好达到一个平衡点，光线被困住无法逃离，但也不会被拉得更深入黑洞。在这个距离上，所有到达的光子都会被困在永久的轨道上，随时间累积，这里的光量会不断增加。因此，当库珀进入这个区域时，他可能会突然遇到一个强烈的辐射尖峰，这种辐射在他未被吸积盘的高温等离子体或意大利面条化效应摧毁之前，就有可能致命。
假设库珀设法克服了所有坠入黑洞的致命风险，他是否还能尝试通过重力跨越时空发送信息？这个问题的答案并不明确。事件视界之后的物理学极为模糊，科学家们并不确切知道那里会发生什么。但奇怪的是，这一概念与我们现有的数学模型有一定的相似之处。目前的数学理论表明，空间在黑洞附近弯曲得非常厉害，以至于所有可能的路径都将引导你深入黑洞。然而，也存在一些奇异的理论情况，你可能会到达自己过去的某些时刻，并有可能影响那里发生的事情，这引入了悖论的问题。
《星际穿越》中的悖论是电影的一个重要主题。如果库珀在黑洞中做了一些事情，比如*死了过去的自己，这将会引发一系列的逻辑问题。他如果阻止了自己回到过去，那么他就不会*死自己，从而救了自己的命。但这又意味着他能够回去，因而可以*死自己，形成一个循环。电影试图通过所谓的自举悖论来解决这个问题，即电影中的一切都是在时间旅行的影响下发生的。库珀通过黑洞向地球上的人们传达了重要的重力方程数据，这使得他们能够发射他的飞船。
但这引发了一个问题：如果库珀决定不与过去分享这些信息会怎样？这似乎消除了自由意志的选择。一旦库珀意识到自己处于自举悖论中，他就必须做他一直所做的事情，否则整个事件链将会崩溃。这种情况在电影中被进一步扩展到未来的人类，他们足够先进，创造了能够拯救人类的四维空间。但如果他们选择不创造它，我们又回到了悖论的问题，宇宙必须解决同时发生和不发生的事情。物理学上对此并没有明确的答案，所以这是《星际穿越》中较为非科学的部分。
十五、《星际穿越》对现代物理学的展示《星际穿越》虽然为了戏剧效果在某些科学细节上有所偏离，但它确实构筑了一个扭曲思维的故事。这部电影向广大观众展示了现代物理学中一些迷人的概念，特别是关于时间的理解。它表明时间不仅是一个单一方向的箭头，而是可以像时间波动一样变化不定。时间的流逝速度会根据你所处的重力场的强度而有所不同。事实上，《星际穿越》中包含的内容如此丰富，以至于无法在一篇文章中全部评估。也许我将来会再次讨论这部电影，在第二部分中我会探讨电影中的行星以及它们的宜居程度。
我想知道你对《星际穿越》及其描绘的科学概念有何看法？电影中有哪个概念是你最喜欢的？欢迎在评论区分享你的想法。虽然我们无法回到过去修复已经发生的错误，或过去的痛苦，但这并不意味着对我们生活的反思无益。凭借合适的建议，我们可以改变自己的轨迹，取得更好的成就。
