《星际穿越》背后的神奇密码

置我山窗

网络上曾有一部短片风靡一时。

最初的画面是：茂密的草丛，点点萤火纷飞，天边一轮硕大的月亮。再一转，月亮变成了三维图像，与其他的星球一起，按半径大小依次排列，从矮行星到恒星，从星系再到整个宇宙，地球只是其中的萤火一点，而人类只是附着在这个淡蓝色光点上的微尘。

宇宙的广阔深邃从未使人类望而却步。牛顿发现万有引力的契机，不仅是那个砸向他的苹果，还源自他对天体的好奇——为什么月球不会像苹果那样，掉落到地球上呢？由此，他发现在任何物体之间都具有相互的吸引力，质量不同，引力不同。

后来，有一位科学家推算出一类质量极大、密度极高的星体。它有强大的引力场，甚至连光线都不能逃逸。虽然人类无法看到，但是仍可以感受到它的引力，被后人称为“黑洞”。

再后来，广义相对论在人类非凡的大脑中“诞生”，引力被视为质量引起的时空弯曲的表现，人们还推断出引力波的存在。

导演克里斯托弗·诺兰通过一部电影《星际穿越》，让引力、黑洞成为人类探索宇宙、超越自身限制的重要工具。

《星际穿越》的故事发生在不远的将来。由于地球环境恶化，人类忍受着饥饿、缺氧、沙尘暴肆虐的痛苦。他们寄希望于一个可以快速通往外太空的虫洞，试图去太阳系之外寻找宜居之地。人类派出几支考察队伍穿越虫洞，获得的反馈是有3个星球可能适宜人类居住。为此，一个以NASA前任宇航员库珀和女科学家艾米莉亚为核心的探险小组，承载着人类全部的希望出发了。在探索的路上，他們遭遇过背叛，丧失过队友，陷入过绝境，亲临过奇诡的星球环境，直面过黑洞的壮美与神秘，感受过能穿越时间、空间这些物理限制的亲情。

电影的前30分钟，除了铺垫末日环境、主角之间的家庭关系，更重要的是呈现引力的重要性。

由于地球本身有相当大的质量，会对地球周围的物体产生引力。除由于地球自转产生的微弱向心力之外，这种引力基本等同于重力。苹果砸向地球，我们能在地球上“脚踏实地”都是因为引力的存在。

如果一个物体想冲出地球，那么它只有一个选择——拥有非常快的速度，至少要达到7.9千米/秒以上，这被称为“第一宇宙速度”。不过它还是会环绕着地球做圆周运动，人造卫星就是如此。

如果它想脱离地球引力的束缚，那么就要加把劲，运行速度要达到11.2千米/秒，这个速度被称为“第二宇宙速度”。但即使摆脱了地球，它又会因为太阳的引力，环绕着太阳运动。

如果它还想脱离太阳的引力束缚，就需要继续提速，达到16.7千米/秒以上的“第三宇宙速度”，才能“逃离”太阳系。

但是要达到任何一种“宇宙速度”，都要耗费大量的资源和金钱。更何况在世界末日的背景下，要组织全人类大规模离开地球简直是天方夜谭。所以《星际穿越》的故事，就架构在一个超越人类现有技术水平的未来世界里。

在故事的最初，科学家因为数次发现地球上的重力失常现象，想到了通过控制引力，设计出帮助人类大规模迁徙的办法，但是其中一些关键数据没有测算出来。同时，由于太阳系中没有人类宜居的星球，以人类现有的科技水平还无法到达太阳系之外，所以一个出现在土星附近的虫洞成了人类的救命稻草，为人类带来了离开太阳系的希望。

理论上讲，由于星体的质量不同、引力不同，有可能引起时空弯曲。所以科学家在研究时空弯曲时突发奇想：就像一只蚂蚁想从苹果的一端爬到另一端，既可以选择绕着苹果的外层爬过去，也可以选择直接爬过虫子的蛀洞，穿到对面去。假如我们的时空就是苹果，如果绕着苹果的外围走，人类能到的地方非常有限，但如果有一条虫洞一样的通道，穿过去，就能快速到达对面。

在电影中，主角库珀所在的探险小组正是穿过了这样的虫洞，才避免了飞船运行速度不及16.7千米/秒（第三宇宙速度）的技术限制，到达了太阳系之外的陌生星系。出现在他们眼前的那个黑洞，就是电影中另一个虽然沉默，却不可忽视的主角。

由于有质量就有引力，假如有30颗与太阳质量相近的恒星从诞生起，就在与自身的引力进行“抗衡”，直到冷却、收缩，最终形成一个密度无限大、体积无限小的天体，那就是“黑洞”，它的引力非常强。而探险小组到达的第一个星球，就是围绕黑洞轨道旋转，受黑洞强引力影响的米勒星球。

就像地球，因为天体的引力，导致海水周期性涨落而形成潮汐，米勒星球也因为黑洞的引力形成潮汐。只是它的潮汐足有千米高，让人类乘坐的那艘能够穿越虫洞、漫游宇宙的飞船，在滔天巨浪面前，变成了小小的舢板，人类不再有乘风破浪的自信，只能随着浪潮浮沉。

但是黑洞引力对于这个星球最大的影响不是潮汐，而是时间。

在广义相对论中，没有绝对的、唯一的时间，时间都是相对的。它预言：在大质量的物体附近，时间流逝得更慢。所以黑洞的强引力导致米勒星球的时间走得非常慢，一个小时相当于地球的7年。因此，当探险小组从米勒星球的巨浪中死里逃生之后，地球的时间已经过去了20多年。

那么，在黑洞中时间又是什么样的呢？在《时间简史》中，霍金举了一个例子：假设在一颗大质量的恒星坍缩成黑洞之前，有一个勇敢的宇航员降落到恒星上，每一秒都向恒星之外的飞船发出信号，人们会发现，这个每秒的信号会越来越长，直到这颗恒星缩到一个界点之后，引力场已经强大到没有任何东西可以逃逸出去，这一秒钟被无限延长，永远到不了下一秒。这个宇航员被永远留在了过去、现在、未来。

2017年10月16日，人类首次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。这是继人类首次探测到引力波信号、首次探测到来自双黑洞合并的引力波信号之后，最令人振奋的收获。它为百年前爱因斯坦提出的相对论提供了证明。

就像《星际穿越》的科学指导、理论物理学家基普·索恩所言：“通过发现引力波，我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程——一场探索宇宙那弯曲的一面的旅程。对黑洞碰撞和引力波的观测，正是这个旅程中第一个完美的范例。”

宇宙探索的下一个完美范例，会不会正在等待着你去探索、去发现？让我们拭目以待！