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　　正如羅胖說的，互聯網時代講究的是跨界，但是將科學研究，尤其是理論科學研究，更尤其是理論宇宙學的科學研究與電影結合起來，恐怕諾蘭的新片Interstellar尚屬首次，況且還結合的如此之完美，經典就這樣產生了。雖然不同偏好的觀影人對影片分歧很大，但這部才上映三天（原文發布于11月10日）的電影已經毫無懸念的載入史冊。為了讓大家更好的理解影片和出于對宇宙學的愛好，今天動筆寫一篇文章來初略的解釋下影片中的物理原理，水平有限，專家勿拍。

　　問題1：為什么Cooper乘坐的飛船要不停的旋轉？

　　飛船之所以在離開地球大層之后需要旋轉是為了制造重力，這樣Cooper和他的隊員們就可以像在地球上面那樣正常的生活，可以正常的喝水小便而不會有液體飛濺，此外演員們在3個小時的影片中也不需要假裝飄來飄去。當物體繞著圓心旋轉的時候，速度作為一個向量始終沿著圓形的切線方向不停的變化，宇宙飛船的外環會對物體（宇航員）形成一個向心的作用力，這個作用力就相當于提供了一個虛擬的重力。在影片的末尾我們看到土星軌道的大型空間站做成卷餅狀也是同樣的道理。由于向心力與物體到圓心的距離成正比（），越是靠近圓心，向心力就越小（重力越小），所以打飛的棒球很容易就飛到“頭上”的建筑打碎玻璃了。

　　問題2：Cooper航行的目的地是哪？離地球有多遠？

　　Cooper的航行目的地是Gargantua，是一個電影虛構出來在銀河系之外的一個黑洞，距離地球有100億光年。一百億光年有多遠呢？眾所周知，一光年就是光在真空中走一年時間的距離。1977年人類發射的旅行者號飛了三十多年才勉強飛到太陽系的邊緣，而太陽系的直徑也才0.003光年，而我們所在的銀河系的直徑也僅僅才10萬光年。現代物理學的假設是任何物體的飛行速度不可能超過真空光速，所以飛船依靠飛行在可能的時間范圍內是不可能到達Gargantua的，這便需要利用蟲洞（wormhole）穿越到宇宙的另一頭。

　　問題3：什么是蟲洞？蟲洞真的真實存在嗎？

　　電影中Cooper的隊員其實向觀眾已經簡單解釋了什么是蟲洞，不過是在二維條件下。我們大家熟悉的空間是三維結構的，所以我們的認知可以很容易的理解低于三維的空間存在。一維就是一條直線，只需要一個數字（坐標）就可以確定物體的位置，而二維空間就是一個平面（假設為一張白紙），需要兩個數字（坐標)來確定物體在平面的位置，而三維空間就是我們存在的世界，需要三個數字（長、寬、高）來確定物體的位置。

　　在二維條件下（平面白紙），兩點之間的最短距離是連接兩點的直線，如果我們打破維度的限制，將一個二維平面在一個額外的維度（第三維）下進行彎折，兩點的距離就可以無限接近。這樣連接兩點的通道就是蟲洞，在二維條件下是一個圓形。而在我們所處的三維世界中，要用這種方法來連接空間中的兩點同樣需要額外的維度（第四維）來實現，而在三維的世界中（我們以及電影所處的世界），蟲洞則以球形存在，理論上可以從任何角度進入蟲洞。作為蟲洞外部的觀察者，我們可以看到蟲洞另一端扭曲之后的景象。

　　蟲洞目前為止還僅僅是愛因斯坦相對論的推測，從來沒有被真實的觀測到。宇宙物理學家認為蟲洞在宇宙中無處不在，只不過非常不穩定和存在的時間很短，并可以通過一些方法來穩定蟲洞來達到穿越時空的目的。影片并沒有脫離科學假設來人為的制造蟲洞，而是在導演的安排下somehow就在土星周圍出現了一個穩定的蟲洞，這樣的安排確實有發生的可能性并且符合目前的物理假設。

　　問題4：為什么Miller行星上面會有巨浪？

　　Miller行星上的巨浪非常壯觀，差點讓Cooper有去無回，而這巨浪也僅僅是Miller表面的普通潮汐而已。眾所周知太陽和月球的引力可以制造潮汐，由于Miller行星靠近附近黑洞的引力場，再加上Miller行星表面的引力場較弱，形成巨浪也就不足為奇了。

　　問題5：為什么Cooper從Miller行星返回后已經過去二十多年并且Romily已經老了？

　　Copper此行所到達的恒星系與我們的太陽系有很大的區別。太陽系是一個出于青年期的恒星系統，太陽作為太陽系的中心恒星，通過表面的聚變來為周圍圍繞太陽旋轉的行星提供光和熱。而Miller行星所在的恒星系統極有可能是一個晚期的恒星系統，質量巨大的恒星塌陷后形成了Gargantua黑洞，而在黑洞的周圍有大量的高溫氣體和塵埃形成的吸積盤（accretion disk）來為恒星系提供能量。這也是為什么影片中黑洞的表面有光盤。Gargantua的質量非常巨大（100萬個太陽的質量），導致了Miller行星處于巨大的引力勢能中。根據相對論中的描述，引力勢能可以改變時空扭曲率而導致時間流逝發生改變。在影片中，以地球或者Romily作為觀測者的話，Miller行星的時光流逝變慢，所以才是地上一小時，天上數十年。這種由于引力場造成的時間膨脹，已經在現實中被實驗證實存在。

　　問題6：真實的蟲洞和黑洞看起來是什么樣子的？

　　蟲洞只是被理論預測存在而黑洞也僅僅是被間接證據觀察到，但是若是宇宙中存在黑洞和蟲洞的話，那也將和影片的特效極為接近。影片由著名的理論物理學家Kip Thorne担任執行制片人，影片中關于蟲洞的特效都是依據理論方程計算得到。即便這些特效出現在科幻電影中，Kip Thorne所描繪的黑洞和蟲洞視覺效果可以作為嚴肅的科學數據與理論模擬。值得一提的是這些特效還產生了兩篇科學研究論文，分別發表在宇宙學和計算機圖形領域的期刊上。

　　問題7：Murph的鬼魂是怎么回事？為什么Cooper在蟲洞中可以觀察到所有的歷史事件？Cooper和Murph是怎樣實現通訊的？

　　這是這個影片最難解釋和最難理解的部分，首先需要說明的是在現代理論物理的時空觀里，Cooper在蟲洞中的行為是可能的。先來回到我們的問題，這三個問題其實可以歸結到蟲洞中的五維時空的問題。我們現實生活所處的時空是四維時空，而由于我們觀測的限制，我們只能感知三維空間和線性的時間維度。而五維時空則是四維空間加上非線性的時間維度，在影片中，諾蘭將時間維度物理化，這樣Cooper在五維時空中可以向翻書一樣查看各個四維時空中的歷史事件，理論上講，Cooper所處的就是上帝視角，能知曉這個五維時空中所有信息的過去、現在和未來。可以猜測的是這個蟲洞和五維時空并非自然形成，而是未來人類為了拯救過去人類而專門為Cooper和Murph建造的。Murph在五維時空中以引力波的形式向Murph所在的時空產生影響，從而造成了Murph所處時空的引力異常（gravity anormalty）。Murph之所以感覺有鬼魂在她房間是因為感應到了引力異常帶來的結果（書架上的書及物品掉落, 帶有坐標信息的細砂排列等）。當時Cooper以為這只是偶然事件，而Murph從小就感覺到這個“鬼魂”非常特別。在影片的最后，Murph終于明白這是父親通過時空隧道向她傳遞信息。

　　問題8： Cooper向Murph傳遞的信息是什么？為什么拯救了人類的未來？

　　從影片中我們可以知道Brand教授一開始就知道完成他的理論是不現實的，因為這個理論需要知道黑洞中的重要數據，而在Brand教授看來，采集到這樣的數據幾乎是不現實的，所以雖然設計了計劃A（完成理論，拯救人類）和計劃B（攜帶人類DNA到另一個行星來重新繁衍人類文明），但其實最后Brand坦言自己其實是想實現計劃B。影片中雖然沒有明確指出Brand和Murph研究的理論到底是什么，但我們可以大致猜測到應該是愛因斯坦晚年想解決的的統一場理論。統一場理論試圖通過聯系電磁力、強力、弱力和引力來解釋宇宙本質，而這其中最難以解決的就是引力問題。Cooper在五維時空中將機器人收集到的重要數據傳遞給Murph，讓Murph得以完成統一場理論來解決反重力飛行，這樣便可以建立巨大的空間站將全部人類送入太空，并通過蟲洞到達新世界。

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2015-05-19 00:29:22