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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

庫珀跳入黑洞中之後，他與黑洞之外的一切聯繫在視界處被完全切斷，但是他與同樣跳入黑洞的機器人TARS之間的聯繫卻與在黑洞外面時沒有什麼區別。因為卡岡圖雅是一個極大的黑洞(半徑與地球環繞太陽運轉的軌道半徑接近)，所以當他們跳過黑洞的視界時並沒有任何特殊的感受，也沒有因為黑洞的潮汐力而被迅速撕裂。與此同時，庫珀和TARS獲得了融合廣義相對論和量子力學的最佳條件，他們終於可以活著在黑洞中采集數據，雖然這些數據注定不能被發送出去，這其中也有著一種“朝聞道，夕可死矣”的毅然決絕。 　　量子力學和廣義相對論都誕生於20世紀初，經過了100年的發展，這兩個學科已經成為當代物理學的兩個支柱。量子力學主要是描述在極小的微觀領域內物質的運動規律，而廣義相對論則是描述在極大尺度，或是物質密度極高的條件下，物質和時空的相互作用規則。在20世紀中期，物理學家們就已經意識到了，廣義相對論和量子力學彼此間不能相互協調。這兩種理論所主宰的領域並不相同，但是試圖把它們融合在一起，形成一個大統一理論的嘗試至今為止全都失敗了。當今物理學的“聖杯”，所有當代物理學家的最終追求，就是獲得一種融合了這兩種理論的“量子引力理論”。如何才能獲得這種理論？物理學家們認為，在這兩種理論同時起作用的領域內進行真正的觀測，獲得數據，就有可能得到啟發。 　　庫珀和TARS縱身一躍，終於獲得了這種物理學家們夢寐以求的機會，而TARS也抓住機會，迅速獲得了觀測數據，這是融合兩種理論、建立完整的量子引力理論的關鍵。而就當庫珀做好犧牲的準備時，他和TARS一起進入了一個“超立方體”，在這個高級生命為了拯救他們而特地放置在黑洞中的超立方體中，時間維度對庫珀打開了。 　　人們生活在三維空間中，而後相對論結合了時空，把時間變成了一個特殊的維度。人們在空間中可以自由游走，而時間維度的特殊之處在於，根據狹義相對論，儘管在不同情況下可能彼此前進的速度不同，人們在時間維度中都只能前進而無法後退，也就是說，人們無法“回到過去”。但是，空間除了前後、上下、左右三個維度外，還有沒有其他維度？此前物理學家們並不相信，認為更高的維度只能是數學遊戲而已。在1984年，兩位物理學家邁克爾·格林(Michael Green)和約翰·施瓦茨(John Schwarz)在進行量子引力理論研究時發現，在更高的維度數中，量子力學和廣義相對論有可能相互融合，這個理論發現開啟了一個如今在理論物理學領域炙手可熱的研究領域——弦論。在弦論中，除了一個時間維度外，空間實際上存在有9個維度，人們只能感覺到其中的3個維度，而另外6個維度在卷曲起來中，使引力不至於發散得過快，以至於無法形成星系。從此以後，對於更高維度空間的研究不再是數學遊戲，而是成為嚴肅的物理學探索。在電影中，出於視覺效果的考慮，導演並沒有展現出多餘的6個維度，而只是展現了多出的一個維度，在這個維度中，時間維度也展開了，庫珀看到了自己和女兒的過去。原來，以前發給自己信息的人就是他自己。 　　回到過去，在電影中使時間旅行成為可能，這將使電影陷入到一個循環的悖論中，也是物理學定律所不允許的。為了解決這個難題，諾蘭導演做出了設定：在超立方體中，如果黑洞的視界一樣，光只能單方向傳播過來，過去的自己則看不到超立方體中的一切。另外，一切的粒子、相互作用、場等物理學實在也無法相互傳播，這在極大程度上限制了時間旅行的可能。那麼，庫珀如何把他收到的在黑洞內部的觀測數據傳送給他已經成為物理學家的女兒，進而解救人類？他只能利用唯一可以從超立方體向過去傳播的力，引力。 　　庫珀收到了同在超立方體內的TARS傳來的量子引力數據，希望把它傳給自己的女兒。但是他發現，他在時間維度上，無法與過去的自己相互聯繫，他只能單方向收到來自過去的信息，他的女兒卻聽不到自己的叫喊。但是他馬上意識到，引力可以穿過各個維度，進行時間旅行，正因為如此，他用力地反覆敲擊他女兒房間的書架，產生的引力場使書架上的一些書掉落在地上，這正是他女兒長久以來追尋的“鬼”。也就是說，他可以通過引力作用與他的女兒進行聯繫。他在收到機器人TARS傳來的數據後，掌握了如何利用重力與另一個世界聯繫，進行時間旅行的方法。他敲擊表針，利用摩斯代碼與女兒聯繫，終於把在黑洞裡取得的量子引力信息傳送出去，解決了難題。

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