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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

黑洞 　　黑洞才是《星際穿越》整部電影中真正的主角，那個巨大的卡岡圖雅黑洞是這部電影的主心骨。不僅是導演，索恩為了設計這個巨大的黑洞也是傾盡心血，使它注定會成為電影史上一個令人難以忘記的鮮明角色。正因為卡岡圖雅黑洞的外觀和行為在極大程度上符合當今的物理學理論，也正是由於黑洞的種種特性推動了情節發展，才使它如此鮮明，令人難忘。 　　黑洞同樣也是廣義相對論的產物。廣義相對論描述了物質與時空之間相互作用的關係，真正開啟了人類的宇宙學探索。索恩的導師惠勒曾經說，“時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲”。這句話就是對於廣義相對論極佳的概括。物質(或是能量)可以使時空扭曲，而當物質的密度極大時，時空的扭曲到達極限，就會形成黑洞。從這個角度說，黑洞就是由卷曲的時空組成。在黑洞的視界範圍內，任何物質，包括光線都無法逃脫，因此注定只能是一片黑暗，但在黑洞的視界周圍，因為環繞黑洞的吸積盤的存在，又有可能發出光亮。在黑洞的中心，存在著一個時空卷曲到極致的點，稱為“奇點”，在奇點處任何物理學定律都將失效。 　　黑洞聽起來可怖且危險，實際上它是廣義相對論自然而然的產物，儘管黑洞會吞沒一切信號，人類不可能得到關於黑洞的直接觀測證據，但已經有各種各樣充分的間接證據證明，黑洞確實廣泛地存在。在大多數星系的中央，包括銀河系內，都坐落著一個巨型黑洞。銀河系中央的巨型黑洞Sagittarius A*的質量大約是太陽質量的410萬倍(也就是說它的引力是太陽的410萬倍)，維繫著整個星系。不僅如此，在銀河系內還存在著大約1億個小黑洞，這些小黑洞大多都是由質量在3～30個太陽質量之間的恒星在燃燒盡自身燃料後發生內爆，隨後又發生塌縮形成的。這種黑洞的質量一般也是在3～30個太陽質量之間。而銀河系中還有大約1億顆恒星將在死亡之後發生內爆，進而塌縮成為黑洞。 　　因為恒星死亡而形成的黑洞，質量一般都不會太大，一般在100個太陽質量以內，而電影中索恩設置的超重黑洞卡岡圖雅，質量遠超銀河系中心的黑洞Sagittarius A*，達到1億個太陽質量，並且在進行著劇烈的自旋，這一切都是為了電影情節的發展而做出的合乎物理學理論的假設。這種超重黑洞不可能因為恒星死亡塌縮而形成，它們形成的原因人類目前還不清楚，有可能是由巨型的氣體聚合形成，也有可能是黑洞相互融合形成。如同卡岡圖雅這樣的巨大的黑洞，雖然在宇宙中罕見，但也並非是絕無僅有。目前人類發現的最重的黑洞名為NGC1277，它的質量相當於太陽質量的170億倍，距離地球2.7億光年遠，這個距離大約是目前可觀測宇宙的距離的1/10。好在起碼人類不用擔心自己葬身於黑洞中，太陽系中並沒有這樣沉默的巨獸，最近的黑洞也距離地球300光年，不會威脅到太陽系。 　　約翰·惠勒對於黑洞也有過一個精妙的描述：“黑洞無毛”，也就是說，黑洞彼此之間並無巨大的區別，沒有特性而言。只要知道了關於黑洞的兩個參數：它的質量以及自旋速度，人們就可以通過理論而推斷出有關這個黑洞大小、引力、引力透鏡等一切特征。而對於卡岡圖雅來說，索恩需要精心地設計這兩個數字就行。 　　過於接近一個黑洞時，除了會被它吞沒，還有另一個特性就是時間的流逝會變慢，這是由黑洞強大的引力場扭曲了時間維度造成的奇妙現象之一。愛因斯坦的相對論使人類擺脫了牛頓力學中的絕對時間(宇宙中到處都放著一塊顯示統一時間的手表)和絕對空間(宇宙中放著一把刻度精准、永遠不變的尺子)的概念，“同時性”的概念變得極為精妙，時間的流逝成了相對性概念，其快慢與一個人所運行的速度和他身處的引力場強度有關。實際上，在地球上，因為地球的引力場作用，同樣會出現時間膨脹的效應，隨著海拔不同，時間流逝的速度也是不一樣的，GPS定位系統就必須通過廣義相對論對此進行修訂。只不過因為地球的引力場相比於黑洞太微弱，普通人完全感受不到這樣的差別。在黑洞附近，引力場極強的條件下，時間的流逝顯著減緩，這樣才能達到諾蘭導演所需要的在米勒行星上停留一小時，地球上已經過了7年的“滄海桑田”的電影效果。

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