星际穿越，让时空旅行不再是梦想

佚名

曾执导过《盗梦空间》的美国著名导演克里斯托弗·诺兰的新片《星际穿越》在国内上映后迎来了观影热潮。诺兰十年磨一剑，片中教科书式的情节和理论，引发了人们的热烈讨论。

该片的走红指数堪称“现象级”，无论理科男还是文艺女，见面或是网络社交用语必称“虫洞”“五维空间”。《星际穿越》名利双收，除了名导、名演和炫酷特技外，影片借助宇宙、航天这些“高大上”的概念，击中了观众猎奇的欲望。

这部电影基于美国理论物理学家基普·索恩的理论成果，而他的理论成果基本都在他的著作《黑洞与时间弯曲》一书中。包括著名天体物理学家斯蒂芬·霍金在内的数位学者都给《星际穿越》点赞，可见这部电影的“烧脑”程度不亚于《盗梦空间》。观影亦是学习，让我们也来科普一下影片中提及的一些科学术语及理论吧。

什么是黑洞

黑洞是空间中有强大引力的超高密度的天体。假如太阳质量不变，大小却变成乒乓球那样，这就是太阳坍缩成了黑洞。

黑洞的特点就是有进无出，即：1.任何东西都可以掉进黑洞。黑洞外围有一层“事件视界”，任何东西只要经过了这个“视界”，就要掉进黑洞。2.任何东西都不可能从黑洞里逃出，包括光。因为没有光从黑洞逃出，故无法直接观测黑洞，但是从物体被黑洞吸入之前放出的紫外线、X射线等边缘信息，可以推测出黑洞的存在。

黑洞“潮汐力”

一艘很大的飞船飞向一个天体，飞船头部距离天体比较近，受到的引力比较大;而尾部距离天体比较远，受到的引力比较小，头部和尾部受力大小有差距，就会在飞船中间产生撕扯的拉力，这个拉力就是潮汐力。如果天体是黑洞，质量非常大，飞船距离黑洞距离越小，引力差就会越大，这就是黑洞的潮汐力。这个力甚至可以把飞船撕成碎片。飞船里的宇航员也同样会受到潮汐力的作用。

虫洞的奥秘

“虫洞”是科幻片中经常出现的术语，想必大家都不陌生。所谓“虫洞”就是在三维空间中，利用特殊技术形成的一个可在短时间内穿过较远距离的空间隧道，即虫洞是宇宙中相距遥远的两点间的一条捷径，霍金的《时间简史》里也提及过。没人见过虫洞，有人说我们周围到处都是虫洞，又有人说黑洞里有虫洞，还有人说虫洞是时空隧道，能进行时空旅行。基普·索恩在书里说，我们可以自己构建虫洞。

负能量物质

虫洞在某个时刻产生，短暂地打开，然后关闭、消失。从产生到消失，时间极短，短到没有什么物体能在这么短的时间内，从一个洞口穿到另一个洞口。所以，我们能利用虫洞进行时空旅行的前提是得有办法使虫洞一直开着，不让它消失。基普·索恩觉得有某种奇异物体能贯穿虫洞，使虫洞一直开着。这种奇异物体和人类所见的任何物质都大不一样，它具有负能量。要实现负能量其实并不难，参照系不同便可实现。在飞船以接近光速的速度接近虫洞时，虫洞的能量自然就成了负的。

时间机器

飞船要进入虫洞，其速度要接近光速。根据爱因斯坦的相对论原理，如果你在太空中的速度足够快，可以做到在太空中待上几十天，地球上却已经过了几十年，正所谓古人常说的“天上一日，地上一年”。也就是说，如果你2014年坐飞船以接近光速的速度进行一个月的时空旅行后，回到地球，发现地球此时已经是2044年，这就实现了穿越到未来。目前的科学理论表明，回到过去是不能实现的。

母子怪圈

虽然回到过去没有科学依据，但这时就有个每部有关穿越时空的科幻片都面临的悖论：假如我有时间机器，我就能够回到过去，在母亲怀我之前把她杀死。此时，母亲死了，我就不会出世，那又怎么会有我穿越时空来杀母亲呢？

之前的科幻片对这点的处理方法有两种，其一是历史不可改变观点：我虽然想杀母亲，但会有外界因素使我不能成功;或者说，过去某时某人死了，我回到过去想救某人，会有其他因素阻止我救人，甚至我的出现就是那个人死的原因。

其二是平行宇宙观点：时空不是唯一存在的，而是有无数个时空平行存在，它们彼此之间是无法产生联系的。这种观点普遍被人接受。我只是穿越到另一个平行宇宙，杀死了那一个时空里的母亲，但这并不影响我穿越前那个宇宙的母亲。也就是说，我只是穿越到别的时空而已，而不是回到过去或未来，更没有所谓的改变历史。

五维空间

我们所在的世界是三维的，而纸上平面的世界就是二维，现在宇宙学家将时间看作第四维，而第五维指的是能量的无界限，是由无数个第四维时间组成的平面。在那里，时间是实体化的。就像你面前有一堵墙，由无数的竖线组成，每一条竖线就是一条第四维时间线，透过每一条时间线都能看到，在这个时间点三维空间里发生的事情。

这画面就好像上帝在看每一个人的生活一样，很神奇，在“第五维度”的世界里，没有时间或者空间的界限。欧洲原子核研究中心在瑞士和法国的边境地下100多米深处，兴建了一台世界上规模最大的大型粒子对撞机。粒子对撞机正式投入使用后，便可观察在强大引力的作用下是不是有粒子消失，进入了人类看不到的“第五维空间”。

神奇的引力

在电影中，引力是世界的一切力量之源，是通往各维度空间的唯一桥梁，是拯救世界的关键力量。那么，引力是如何产生的？

在广义相对论中，引力被认为来自质量与弯曲时空之间的相互作用。质量决定了引力的大小，而弯曲时空决定了引力的方向。任何物体相互之间都有吸引力，这个力的大小与物体的质量成正比。可是，引力为何成了穿越维度的唯一方式？那是因为足够大的引力能够进一步弯曲时空从而使得两个维度之间产生交集点，通过交集点就能到达另一个维度空间。