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1、星际穿越中的几个科学问题 星际穿越是一部由艺术家与科学家携手创作的作品。这部电影不仅在艺术上堪称典范，而且在科学上除了冰云层外也无瑕可谪。影片阐述了虫洞与量子纠缠的概念。使广阔观众了解了在日常生活层面之上和之下的奇妙真相。与大多数好莱坞大片不一样的是，影片没有描写浪漫的爱情与性，而是用淡淡的手法述说出浓浓的人类之爱。 星际穿越是一部2022年发行的美国科幻大片，导演是克里斯托弗诺兰，编剧是诺兰及其弟弟乔纳森诺兰，闻名引力学家索恩为影片科学顾问。影片主要讲解并描述了库珀及其女儿墨菲的故事。影片描绘了在不久的将来，由于地球气候改变和病虫害而造成的粮食危机迫使人类社会转型为农业社会。影片的主子公库珀
2、本为美国国家航空与航天局的宇航员和工程师。也被迫成为了农夫。利用广义相对论中的虫洞概念，影片演绎了库珀团队如何通过虫洞，在将来、现在和过去中穿越，以及在星际旅行中，为找寻适合人类生存的星球而进行的惊心动魄的探险。目前，关于影片科学性的评论如潮，年轻的理论物理学家像艺术家那样，经常会急于对文艺作品，特殊是科幻作品发表自己的见解。这些见解中不乏真知灼见，但泥沙俱下，鱼龙混杂。 黑洞潮汐力问题 钱塘看罢早潮待晚潮。诗人说这是大海每日的二次呼吸，引力学家说这是源于月球引力吸引一次是月球引力将海水吸引过去，另一次是在地球另一边将地球吸了过去。就像月球的引力导致引起地球每日两次潮汐的潮汐力那样，任何引力场
3、都将造成潮汐力。接下来的问题是，黑洞的引力很强，接近黑洞的人或物体是否会被黑洞的潮汐力撕得粉碎？答案是，可能会也可能不会。加尔冈蒂阿黑洞的潮汐力便不会。广义相对论的潮汐力是用潮汐力张量来描述的，潮汐力张量的9个重量就是曲率张量的重量RkOjO。简洁而言，只要黑洞的半径相对于人或物体的尺寸足够大，其潮汐力对人或物体的影响就是稍微的。 想象一位身高3000千米的巨人，正从外太空脚朝下地落向地球。当巨人接近地球时，他就有了被潮汐力拉伸的感觉。之所以如此，不是因为落向地球的整体加速度，而是因为引力在空间上的不匀称性。这个可怜的巨人太高大了，其脚部比头部离地球近许多以至于他的脚部受到的引力要比头部受到的
4、引力大得多。净效应就是产生了头部和脚部正在往相反的方向被拉伸。假如巨人水平下落的话，他可能会避开被拉伸，因为头和脚处在同样的高度。然而当他这样做时，他感觉到了新的苦痛，被挤压的苦痛代替了拉伸。 由引力的强度和方向改变而引起的扭转力统称为潮汐力，无论它们是由于月球、地球、太阳、黑洞，还是其他天体引起的。当正常身高的人从跳水板上跳下时，能感受到潮汐力吗？不能，这仅仅是因为人类相对于地球太小了，以至于在我们身体尺度上地球的引力场几乎没有改变。假如一个人朝向太阳质量的黑洞落下时，在离该黑洞150000千米处，潮汐力就会使他感到极为苦痛。当他到达离黑洞数千米时，他就会变形，变得像挤出的牙膏一样。 有两种
5、方法可以消退黑洞视界处的潮汐力影响：或者你自己变小些，或者黑洞变大些。细菌在一个具有太阳质量的黑洞的视界处是不会感受到潮汐力的，而人类在具有一一百零一零一万倍太阳质量的黑洞的视界处同样如此。这看起来有些违反直觉，因为质量大的黑洞四周的引力作用会更强些。但是，这种思维方式忽视了一个重要的事实：大质量黑洞的尺寸是如此之大，以至于它几乎是平坦的。在巨型黑洞视界旁边，引力场尽管特别强，却几乎是匀称的。影片中的加尔冈蒂阿黑洞就是一种巨型黑洞。加尔冈蒂阿是文艺复兴时期法国闻名讽刺小说巨人传中的主角，现在人们经常借喻为硕大无朋或巨人。 五维诺兰问题 影片中出现了5维超立方体，一般人对此大惑不解，一些专家也发
6、出诘难。这是一个什么样的5维理论体系呢？是理论物理学探讨中的高维时空理论吗？早在1919年，爱因斯坦收到了一封来自柯尼斯堡高校的信。写信者是位静默无闻的数学家，名叫卡鲁扎。他试图通过引入第五维统一广义相对论和电磁场理论。 从表面看来，电磁力和引力并没有共同之处。电磁力为我们的机器供应动力，晚上为我们照明，使我们可以观赏电视节目。相比之下，引力在更大的尺度上起着作用驾驭行星运动，阻挡恒星爆炸。但是，卡鲁扎在五维时空中得到了爱因斯坦在四维时空中对引力建立的方程以及电磁场方程。卡鲁扎的五维理论给出了15个场方程，而爱因斯坦的引力理论是10个场方程，麦克斯韦的电磁理论是4个场方程。 利用一个简洁的算式
7、：15=10+4+1，卡鲁扎将人类有史以来最宏大的两个理论拼接起来，还剩余的1个场方程对应于1个标量粒子。这在当时并未引起太多的留意，但在11010年头以后物理学家对它产生了爱好。 爱因斯坦被卡鲁扎的信震惊了，在细致思索达两年之久以后，把它送往普鲁士科学院学报发表，并冠以一个醒目的标题“论物理学的统一问题”。1926年，克莱因对这一理论做了几点改进。他找到了一条把卡鲁扎的思想汲取进量子理论的途径。所以。这一理论被后人称为“卡鲁扎-克莱因理论”。在卡鲁扎-克莱因理论中，空间是四维的，时空是五维的。而我们平常感觉的空间之所以表现为三维，则是由于四维中有一维是圆周的原因。沿着圆周方向的宇宙周长只有几
8、个普朗克长度。于是，一个试图贯穿第四维空间的视察者几乎瞬间便回到了他的动身点。事实上，这样一种尝试是毫无意义的，因为组成视察者的原子的尺度要比此圆周周长大得多。就这一点而论，第5维根本就是不行见的。然而正是借助于这个新的维数，卡鲁扎一克莱因理论将引力和电磁力统一到了一起。 直到20世纪末，理论物理学家又引入了一类新的5维理论，它是卡鲁扎-克莱因理论的一种变形，目前通称为胚世界理论。在这样的理论中，第5维不再限定在普朗克尺度，物理学家假定电磁力与核力被限定在4维时空中，而引力可以自由地进入第5维。人们通过嵌入在3维空间中的2维曲面去了解什么是弯曲的。在3维足球场上的足球给出了2维球面的一个实例。
9、但是对非专业人士来说，弯曲的4维时空是很难理解的。德国数学家黎曼发觉古希腊几何学仅仅是建立在直观学问的沙滩上，而不是建立在坚实的逻辑基础之上。黎曼几何学是用数学公式而不是用嵌入更高维空间的直观方式来描述的。与直观所见不同，在黎曼几何学中，2维圆柱面是平坦的。事实上，从严密的、符合逻辑的算式可以计算出柱面曲率是零，球面曲率是常数。 影片中的5维超立方体明显不是卡鲁扎-克莱因理论或其变种。诺兰为什么肯定要引入这种表现形式的5维时空呢？诺兰是位艺术家，艺术源于生活，艺术的表现手法不行能脱离日常生活阅历而立足于抽象的数学公式。时间旅行是在4维时空中进行的。不能用黎曼几何中的数学公式演绎给广阔观众，诺兰
10、不得不采纳古希腊几何学家的手法，将4维时空嵌入到更高维时空5维超立方体中去描述。所以，所谓的5维诺兰问题是个伪命题，而不是一个科学问题。 诺兰利用虫洞与量子纠缠的概念。使广阔观众了解了在日常生活层面之上和之下的奇妙真相。量子纠缠是指相互作用过的微观粒子，即使相隔遥远。也会保持关联。诺兰表明人类也和量子一样，亲人们即使远隔万千光年，仍旧牵挂着对方的心。虫洞将相隔遥远的两块空间联系起来，使亲人们能够重逢。 萨杜恩暗喻问题 特别缺憾，很多科学影评将萨杜恩星系的加尔冈蒂阿黑洞说成土星旁边有巨大黑洞。土星是太阳系的一颗行星，它的旁边怎么会有大黑洞？假如土星旁边有个大黑洞，不仅土星、地球，整个太阳系都难以
11、呈显现有的状态。这与其说是个科学问题，还不如说是语言学问题。影片中，一位教授告知库珀，在萨杜恩星系内发觉了一个虫洞，并认为这是外星文明欲挽救人类，希望人类移居的启示。萨杜恩星系的虫洞是指一条时空隧道，出口就在萨杜恩星系，入口在太阳系土星旁边。依照人类现有的航天技术是难以干脆飞达遥远的萨杜恩星系的，只有借助虫洞，库珀才能离开银河系。可供地球人类移居的恒星系统便是遥远的以加尔冈蒂阿为中心的萨杜恩星系中的一员，而不是在土星旁边。 萨杜恩是罗马神话中的农神，相当于希腊神话中的克罗诺斯。农神克罗诺斯是天神乌拉诺斯和地神盖娅之子，篡夺了天神的王位，统治宇宙，后被他的儿子宙斯废黜。在罗马神话中，宙斯叫作尤皮
12、特。在天文学名词中，乌拉诺斯为天王星、朱庇特为木星，而萨杜恩为土星。汉语用金、木、水、火、土命名行星，而英语用神话人物命名行星，正是语言上的偏差造成了土星旁边有黑洞的错误理解。假如不用音译，萨杜恩星系应译成农神星系。农神不是土星，此萨杜恩不是彼萨杜恩。地球出现了农业粮食危机，需移居到农神星系才能挽救人类，只有萨杜恩才能解决危机问题。 萨杜恩星系内的虫洞是剧情演绎的一个关键。虫洞原委是什么呢？爱因斯坦方程是10个二阶联立偏微分方程组，而虫洞是其一个数学解。假如你承认爱因斯坦方程是正确的，而且承认数学推演也是精确的，那么你不得不承认虫洞可以存在。当然，假如虫洞的确存在，物理学家还得具体分析通过它进
13、行时间旅行的种种条件。假如时间旅行能够发生的话，人们必需禁止逻辑上不自洽性的产生。一个人不能在时间旅行中造成自己的先祖死亡，从而推断出他自身存在的不行能性。人们不行以在读了红楼梦之后，回到过去遇到还没有创作出红楼梦的青年曹雪芹，为他供应写作红楼梦的构想。他从曹雪芹的著作中读到了红楼梦，但曹雪芹却是从他那儿学到红楼梦的！这样的“祖父悖论”必需被理论禁止。科幻作家尼文有一条定理：“假如所论述的宇宙容许时间旅行，并容许变更过去的可能性存在，那么在那个宇宙中将不会独创出时间机器。” 地外文明问题 影片中出现了地外文明，人们不禁要问：外星人是否存在？这一问题经常困扰着科学爱好者，合理的答案不是简洁的是或
14、否。而是回答宇宙中出现才智生命的概率原委如何。 从前生命时期的化学反应到单细胞生物诞生，再从原始生命进化到多细胞生物，要经验漫长的进化历程。在生物进化中，一系列不寻常的物种游过、飞过、爬过和走过。才智生命是时间和机会的产物，假如让进化重新进行，得到的结果必定不同。然而，才智生命并非注定要产生，在宇宙中出现才智生命的概率如何是一个令人感爱好的难题。 才智生命往往会堕入将自身外延的情结。在四个多世纪前，布鲁诺曾说过：“理性的智者信任，比地球还大的星球上肯定有生物，这些生物与我们人类地球上的物种相像，甚至更加高级。”自布鲁诺之后，很多学者持有同样的信念。例如，在人类文明持续时间的探讨中，狄拉克指出，
15、更让人宠爱的假设是“允许永恒生命存在的可能性”。作为狄拉克的坚决追随者，物理学家戴森对生命在随意久远中持续存在进行了具体论述。在全方位的无限一书中，他写道：“尽管我们对宇宙中生命密度的分布和潜力所知有限，但在展望将来时并不孤独。让想象力遨游于星际，我们能听到永恒的昵语。” 从1960年头起先，人类对找寻地外文明始终抱有浮士德式的热忱。天体物理学家卡尔达绍夫建议，依照技术实力可以将地外文明分为三类：甲类有实力建设星系，能利用我们已知的定律在整个观测宇宙中传递信号，能利用与银河系相当的能量进行星系际沟通；乙类有实力建设太阳系，能利用与太阳相当的能量进行星系沟通：丙类有实力建设行星，变更行星的环境，
16、能利用与地球相当的能量进行沟通。依此分类，地球人类天经地义地处于丙类文明。人类已经多方位地变更了地球表面的地形，人类的活动已变更了地球的大气，影响了地球的温度。值得留意的是，探测一个特别遥远的甲类文明比一个相对邻近的丙类文明简单，因为在理论上，地外文明产生的大量废热是一个可观测的效应。 一个逆向的问题是当人类在探寻地外文明时，为什么处于更高阶段的甲类和乙类文明不来找寻人类？一个可能的答案是人择观测者出现的概率是非常小的。普适原理假设我们这颗行星在宇宙中是典型的，从而人类或其他才智生命是一种普遍现象。与此相反，在这个问题上人择原理能做出两种可能的预言。对于我们这颗行星来说，才智生命出现的必要条件
17、是太阳在到达它的主序终端之前，才智生命的进化历程已经完成。设恒星主序阶段演化时间尺度为TS，假如在小于TS的时间尺度上，生命进化是简单进行的话，人择原理也无法导出地外文明出现的概率微小这一结论。但是，假如在小于TS的时间尺度上，生命进化难以进行，是偶然事务，则可导出才智生命非常稀有的结论。更精确地说，假如生物进化的特征时间尺度TBTS，人择原理的预言将与普适原理的预言不同。尽管不断有报道称发觉了类地行星，但是TSTS，地外文明存在的概率是很小的。外星人迷对此可能会非常悲观，然而小概率不是零概率。外星人存在还是有很小可能性的。 索恩好赌问题 加州理工学院引力学家索恩担当星际穿越科学顾问，并参加了
18、剧本创作。他曾一度花费二周时间劝服诺兰放弃剧中超光速飞行的情节，也对如何描述虫洞和黑洞做了贡献。在影片设计虫洞和旋转黑洞时，索恩与视觉效果人员通力合作，由索恩供应计算方案，绝技人员编写软件，设计出正确的引力模拟。正如他自己所说，他能够容忍的最大艺术自由只限于某个星球上空的冰云层。 索恩是经典名著引力论的三位作者之一，他在广义相对论探讨上有重要贡献。曲折离奇、惊慌刺激乃至不行思议的情节发展使科幻小说迷们废寝忘食地阅读科幻故事。然而又是什么力气促使引力学家对自己的奋斗目标孜孜以求呢？霍金的导师夏默曾说这种驱动是一种形而上学的焦虑。黑洞与虫洞好像太疯狂，太怪异，也太迷人，接近它的唯一途径是想方法相识
19、它。人类思想在这些探讨上充分展示了奇妙力气，在征途上前进、来回、跳动，最终在纷纭困难中发觉了引力相互作用的基本规律。 执著、忘我是引力学家的一面，爱开玩笑和爱打赌又是他们的另一面。索恩便非常“嗜赌”，这在物理学界中传为美谈。 在历史上关于黑洞的闻名打赌已经有五次，索恩全部都参与了。第一次是泽利多维奇与索恩打赌。假如物理定律的计算证明旋转黑洞发生辐射，那么索恩给泽利多维奇一瓶白马牌威士忌。反之，泽利多维奇给索恩一瓶乔治白兰地。结果，索恩输了。其次次是索恩和钱德拉塞卡关于旋转黑洞的稳定性打赌。这一次索恩赢了，钱德拉塞卡要为索恩订花花公子杂志一年。索恩的母亲和妹妹是女权主义者，于是索恩让钱德拉塞卡订
20、购了听众杂志。第三次是11015年关于天蝎座X-1是否包含黑洞的打赌。霍金说，关于黑洞他做了许多探讨，假如发觉黑洞不存在，一切都将成为徒劳，但在这种状况下，他将得到赢得赌局的劝慰索恩将为他订购4年的私家侦探杂志。后来，人们积累了越来越多对黑洞有利的观测证据，霍金也只好认输，为索恩订阅了1年的阁楼。据说这一次引来了索恩夫人的不满。第四次发生在11011年，索恩、普雷斯基尔与霍金就裸奇点是否存在打赌。霍金认为奇点只存在于黑洞围绕的时空奇点。19101年2月5日，霍金承认，在特别的状况下裸奇点是可以形成的，输给了索恩和普雷斯基尔两件可以用来“遮挡裸体”的T恤衫，上面写着“自然界憎恨裸奇点”。第五次，
21、霍金、索恩与普雷斯基尔关于黑洞信息又进行了打赌，赌注是一本棒球一百零一科全书。2004年7月21日，霍金认输了，他说：“我在英国很难找到这样一本书，只能用一本板球一百零一科全书代替了。”赢得了这次赌局的索恩与普雷斯基尔很兴奋，但与其他学者一样，他们并不太理解霍金2004年演讲的全部内容。 就是这样一位好赌的索恩，这一次把名声赌在星际穿越上了。他又赢了星际穿越放映后，索恩不再仅是一位引力学界的名人，也成了公众的名人。 在星际穿越胜利上映后，诺兰谦卑地说：“对我来说，这部电影讲解并描述的是如何做父亲以及离开孩子去工作有多难。”然而，这部影片已成为文化事务，它揭示了科学与信仰、科学与艺术以及科学与技
22、术之间的共生关系。影片展示了人们总是因最新的科学进步而转变自己的世界观。科学不仅仅是生产力，还为人类供应了精神力气。在牛顿之后，哲学家构想出机械宇宙观，个体被看成宇宙大机器的一个齿轮：在爱因斯坦之后的今日，相对论和量子论供应的模式也融入了哲学家对生命、人性以及社会的诠释。星际穿越还给人们一个启迪，只追求生产力的科研领导机构是称不上一个真正的科学机构的，任何漠视最新科学理论进展的民族必定是一个没有出息的民族。 关键词：黑洞潮汐力 虫洞 索恩 萨杜恩 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页