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時空之謎:《星際穿越》中的科學與幻想

http://www.CRNTT.com   2014-12-11 12:09:19

除了黑洞造成的時間膨脹的效應外，還必須要考慮其他更為現實的因素。在一個靜止的黑洞附近，如果想達到時間膨脹了6萬倍這樣顯著的效應，根據計算，米勒行星必須貼著黑洞的視界運轉。在這種危險的區域運行，且不說米勒行星很可能會被黑洞的吸積盤所摧毀，它還會感受到巨大的潮汐力。因為距離黑洞太近，所以行星的近遠兩端感受到的黑洞引力完全不同，這相當於對行星進行了巨大的拉扯。在一個巨型黑洞的視界附近，這種力量會輕而易舉摧毀一個行星，使行星表面的水分因為摩擦而變熱蒸發，行星自身也就成為灰塵。 　　巨大的潮汐力與強烈的時間膨脹現象形成了一對悖論，導演需要一個在黑洞附近能夠穩定存在的行星，但又不會被潮汐力所摧毀。在這種情況下，索恩通過計算，發現只有讓這個相當於1億個太陽質量的黑洞進行快速自旋，利用引力鎖定米勒行星，才可能同時滿足這個條件，這其實也是索恩自己的研究成果。1975年。索恩在研究黑洞自轉時就曾經發現，黑洞自轉的速度並非可以無限加快，如果黑洞自轉的速度過快，它的視界就將消失，黑洞內部的奇點就會裸露出來，這是自然界所不允許的。為了防止這種情況出現，索恩推算，黑洞的自轉速度越是接近極限時，越是更難以吸收和它自轉方向一致的物體(吸收與自己自轉方向一致的物體會使自轉加快)，而更容易吸收與它自轉方向相反的物體(這樣會使自轉減慢)，這樣黑洞的自轉就被限制在一個極限範圍之內。索恩發現，電影中所需要的卡岡圖雅黑洞自轉的速度，恰好在黑洞自轉的極限範圍之內，這樣，米勒行星在理論上就可以穩定地存在，而且它表面上每一個小時一次的巨大水浪可能就是由有限的潮汐力，或是潮汐力造成的行星地震所引發的了。 　　引力彈弓  　　與在野外駕車出行一樣，進行太空旅行時人們最需要擔心的就是，飛船燃料不夠了該怎麼辦。在電影中，庫珀等人駕駛飛船探尋卡岡圖雅黑洞附近的三個行星，旅行途中還發生了意外爆炸，他們必須隨時注意節省燃料。更何況米勒行星在黑洞附近的運行速度超過光速的一半，要想在米勒行星上著陸，飛船也必須要達到同等的速度才行。考慮到飛船此前花了兩年時間才從地球到土星，利用自身的動力系統，無論如何也不可能達到這個速度。所幸在黑洞附近，他們非常熟練地運用了引力彈弓手段，首先利用一個圍繞著卡岡圖雅黑洞運行的小黑洞的引力進行加速(利用其引力加快自身的速度)，接近黑洞和米勒行星。之後再利用附近一顆中子星的引力場進行減速，進而與米勒行星實現同步，才實現著陸。 　　電影中通過引力彈弓手段達到接近光速的速度固然只可能出現在科幻電影中，但是實際上，人類的航天器利用天體引力進行加速或減速的引力彈弓手段並不罕見。美國航空航天局(NASA)在1997年發射的“卡西尼—惠更斯號”航天器為了節省燃料，就曾經利用木星的引力進行加速，快到達目的地時，又利用距離土星最近的一個衛星引力場進行減速，完成探測土星的任務。只不過是，在實際中利用行星或是衛星的引力進行的加速或是減速的效果遠遠不如電影中利用黑洞或是中子星的引力改變自身速度的效果顯著了。 　　多出來的維度 　　在電影的高潮部分，諾蘭導演又一次運用了一個此前曾經被使用過無數次的經典電影橋段：主角庫珀駕駛著飛船中的著陸器縱身一躍，與飛船裡的機器人TARS先後跳進了卡岡圖雅黑洞的視界以內，把女主角推回到了一個安全區域，而庫珀則踏上了死亡之路，注定無法再逃出黑洞。 　　當兩個物體相互作用時，作用力與反作用力大小相同，方向相反，這就是著名的牛頓第三定律。庫珀自己身陷絕境而推出女主角(雖然因為彼此質量相差太大，效果可能微乎其微)，彼此間隔絕著黑洞的視界，這如同一面單方向的牆，庫珀仍然可以聽到女主角的呼叫，女主角卻永遠都看不到庫珀掉進黑洞。因為時間膨脹的原因，她會看到庫珀跌落的速度越來越慢，無限地接近黑洞視界而不會掉入其中，而後庫珀的形象越來越紅，最後變黑消失不見(從庫珀處傳到飛船的光子因為黑洞引力發生紅移，直至超出人類視力的頻率範圍)。

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