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《星际穿越》中的科学与幻想

2014-12-03 13:35 作者:苗千来源:三联生活周刊 2014年第49期
《星际穿越》因为众多科学家的参与,以科学的态度尽可能准确展示出一幅奇异而壮观的宇宙景象,必将成为科幻作品的新标杆。它已经在世界上引发了众多关于宇宙学的讨论,也必将开启很多人对于物理学和宇宙学的兴趣和爱好,甚至可能改变很多人的人生轨迹。这可能也就是在电影带来的视觉享受之外,科幻作品最大的价值了。

好莱坞著名导演克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)执导的科幻电影《星际穿越》,在全世界上映后迅速成为一部“现象级”电影,引发了人们探讨科幻电影,乃至理论物理学的热潮。美国加州理工学院的天体物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说,《星际穿越》上映后,就连在扑克牌桌旁边玩牌的陌生人都会过去找他询问有关虫洞和相对论的问题。观众们对于其中涉及的有关物理学的疑问显然远远超过了对电影自身剧情的关注,这并不奇怪,因为这可能算得上是世界上第一部基本忠实地展现宇宙中各种奇妙的天体现象的电影,想要理解这部电影需要大量的物理学知识。

电影《星际穿越》导演克里斯托弗·诺兰(左)和男主角库珀的扮演者马修·麦康纳在拍摄现场

电影《星际穿越》导演克里斯托弗·诺兰(左)和男主角库珀的扮演者马修·麦康纳在拍摄现场

 

与好莱坞经常塑造出各种各样的超级英雄不同,在《星际穿越》中,最后是几位理论物理学家拯救了全人类。其实,电影中运用的主要的情节与场景,例如地球上发生无法挽救的灾难必须移民外星,驾驶飞船穿越虫洞、进入黑洞、探索地外行星,以及在极端情况下人性的改变……这些桥段在之前的很多科幻电影中早都被运用过多次,电影中很多带有诺兰导演个人色彩的故作深沉的台词更是显得做作。那么,究竟是什么因素使得《星际穿越》成为一部让所有人都开始讨论理论物理的电影呢?这就必须提到为这部电影设置物理学背景,并使电影中几乎所有场景都有物理学的支持,情节合乎科学原理的人——加州理工学院的著名天体物理学家基普·索恩(Kip Thorne)。

科幻作品中常有“软科幻”和“硬科幻”之分,“软科幻”通常涉及的科学理论比较少,只是需要设置一个幻想的场景即可,而“硬科幻”则更需要有实在的科学理论作为支撑,并且让科学理论在故事情节发展过程中起到重要作用。从这个角度说,《星际穿越》因为有了来自各个领域专家的支持,硬到不能再硬。加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基(John Preskill)就回忆了在2006年,索恩为了设置电影中的科学场景,在加州理工学院召集过一个会议,其中包括了物理学家、太空生物学家、行星学家和心理学家。正因为有如此多的科学家的参与,才让《星际穿越》在物理学的约束之下不仅视觉效果惊人,描述宇宙中各种极端罕见的场景最为准确。

“黑洞”、“虫洞”等物理学名词早已被大众所熟知,并且进入了流行文化,《星际穿越》利用电影手法,希望尽量真实地展现这些场景。因此,电影中既包含了切实的科学发现,成熟的科学理论,也有基于目前理论所做的合理猜想,有距离目前人类物理学知识很大距离的推测,更有为了电影的视觉和叙事效果而做的“不科学”的妥协,要在电影中辨清这些,并不容易。《星球大战》、《阿凡达》等科幻电影,即使抽取出其中的科幻内容,仍然可以形成独立的、完整的故事,与此不同的是,导演诺兰希望《星际穿越》的故事可以自然地从科学理论中浮现出来,这使《星际穿越》完全无法与宇宙学理论和各种天体分隔开。为此,索恩还特地写了一本书《<星际穿越>中的科学》(The Science of Interstellar)讲述电影中的各种场景,以及其中涉及的科学原理。

引力波观测

索恩讲述,他曾经计划邀请斯蒂芬·霍金参演电影,并且设计了电影剧情的前传,布兰德(Professor Brand)教授是如何在太阳系内的土星附近发现了一个虫洞。这个前传实际上架起了现实与科学幻想之间的桥梁。故事发生在2019年,当时还只有20多岁的布兰德在美国激光干涉引力波天文台(LIGO)工作,这是一个真实存在的机构,由来自17个国家的900多名科学家组成,总部正是设在加州理工学院,而索恩也正是LIGO的创始人之一。布兰德在LIGO的工作是探测宇宙中传播到地球的引力波。根据爱因斯坦的广义相对论的描述,引力波是一种时空的褶皱,它自身具有能量,通过时空传播。在理论上一些激烈的宇宙学现象,比如黑洞相撞、一个巨大的天体被黑洞吞噬等等,都会释放出剧烈的引力波,并且有可能传播到地球上。LIGO设置在美国华盛顿州和路易斯安那州的两个天文台,正是为了探测这种时空的褶皱,而在法国、荷兰、意大利等国也都有类似装置,日本也正在建造引力波探测装置,人类正在形成一个引力波探测网络,故事也就由此而起。

在《星际穿越》片场的美国物理学家基普·索恩。他随时准备用密密麻麻的方程式推演和论证各种影片中涉及的理论

在《星际穿越》片场的美国物理学家基普·索恩。他随时准备用密密麻麻的方程式推演和论证各种影片中涉及的理论

 

尽管人类目前在地球上还没有探测到任何引力波存在的痕迹(2014年初,一组科学家宣布他们在南极探测到的宇宙微波背景辐射过程中发现了其中原初引力波的痕迹,证实了宇宙暴涨理论,这引起了全世界的关注,但是这个发现随后被认为是受到了噪声的干扰,并不能成立),但是在宇宙学观测中,宇宙学家们已经发现了证明引力波存在的有力证据。索恩相信,在未来10年内人们就有可能在地球上探测到引力波,人类在并不遥远的未来就可以利用引力波来精确探测宇宙中的天体,这也正是电影故事发生的基础。唯有如此,布兰德教授才能在2019年发现太阳系内蹊跷地出现了一个虫洞。

年轻的布兰德在2019年通过LIGO观测到了一场只持续了几秒钟的引力波大爆发,他开始调查发生引力波大爆发的位置。结果他惊奇地发现,这场激烈的爆发竟然是发生在太阳系的内部,土星附近。这显然让他无法理解——这个程度的引力波大爆发只会发生在巨大且致密的天体之间,但是如果在太阳系内部真的出现了这种天体,比如说一个巨大的黑洞,那么整个太阳系内所有行星的轨道就会被黑洞巨大的引力所打乱,土星,以及太阳系所有的行星,甚至包括太阳在内的整个太阳系,也应该早就被摧毁,为什么布兰德还能够安全观测到这场引力波大爆发,却没有观测到太阳系内有任何的异常现象?最终布兰德发现,这个悖论只存在一个解释,就是在土星附近出现的是一个稳定的虫洞,这个虫洞连接了宇宙中遥远空间的两端,它的两个开口一个在太阳系内的土星附近,另外一端则在一个超大型黑洞附近,也就是电影中描述的卡冈图雅(Gargantua)黑洞,他所观测到的引力波爆发,实际上是来自虫洞另外一端的黑洞正在吞噬一颗中子星,这并未影响到太阳系的安全,但在这个过程中发出的引力波则有一部分通过虫洞传播到太阳系,进而被布兰德发现。

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