《星際穿越》背后的神奇密碼

置我山窗

網絡上曾有一部短片風靡一時。

最初的畫面是：茂密的草叢，點點螢火紛飛，天邊一輪碩大的月亮。再一轉，月亮變成了三維圖像，與其他的星球一起，按半徑大小依次排列，從矮行星到恒星，從星系再到整個宇宙，地球只是其中的螢火一點，而人類只是附著在這個淡藍色光點上的微塵。

宇宙的廣闊深邃從未使人類望而卻步。牛頓發現萬有引力的契機，不僅是那個砸向他的蘋果，還源自他對天體的好奇——為什么月球不會像蘋果那樣，掉落到地球上呢？由此，他發現在任何物體之間都具有相互的吸引力，質量不同，引力不同。

后來，有一位科學家推算出一類質量極大、密度極高的星體。它有強大的引力場，甚至連光線都不能逃逸。雖然人類無法看到，但是仍可以感受到它的引力，被后人稱為“黑洞”。

再后來，廣義相對論在人類非凡的大腦中“誕生”，引力被視為質量引起的時空彎曲的表現，人們還推斷出引力波的存在。

導演克里斯托弗·諾蘭通過一部電影《星際穿越》，讓引力、黑洞成為人類探索宇宙、超越自身限制的重要工具。

《星際穿越》的故事發生在不遠的將來。由于地球環境惡化，人類忍受著饑餓、缺氧、沙塵暴肆虐的痛苦。他們寄希望于一個可以快速通往外太空的蟲洞，試圖去太陽系之外尋找宜居之地。人類派出幾支考察隊伍穿越蟲洞，獲得的反饋是有3個星球可能適宜人類居住。為此，一個以NASA前任宇航員庫珀和女科學家艾米莉亞為核心的探險小組，承載著人類全部的希望出發了。在探索的路上，他們遭遇過背叛，喪失過隊友，陷入過絕境，親臨過奇詭的星球環境，直面過黑洞的壯美與神秘，感受過能穿越時間、空間這些物理限制的親情。

電影的前30分鐘，除了鋪墊末日環境、主角之間的家庭關系，更重要的是呈現引力的重要性。

由于地球本身有相當大的質量，會對地球周圍的物體產生引力。除由于地球自轉產生的微弱向心力之外，這種引力基本等同于重力。蘋果砸向地球，我們能在地球上“腳踏實地”都是因為引力的存在。

如果一個物體想沖出地球，那么它只有一個選擇——擁有非常快的速度，至少要達到7.9千米/秒以上，這被稱為“第一宇宙速度”。不過它還是會環繞著地球做圓周運動，人造衛星就是如此。

如果它想脫離地球引力的束縛，那么就要加把勁，運行速度要達到11.2千米/秒，這個速度被稱為“第二宇宙速度”。但即使擺脫了地球，它又會因為太陽的引力，環繞著太陽運動。

如果它還想脫離太陽的引力束縛，就需要繼續提速，達到16.7千米/秒以上的“第三宇宙速度”，才能“逃離”太陽系。

但是要達到任何一種“宇宙速度”，都要耗費大量的資源和金錢。更何況在世界末日的背景下，要組織全人類大規模離開地球簡直是天方夜譚。所以《星際穿越》的故事，就架構在一個超越人類現有技術水平的未來世界里。

在故事的最初，科學家因為數次發現地球上的重力失常現象，想到了通過控制引力，設計出幫助人類大規模遷徙的辦法，但是其中一些關鍵數據沒有測算出來。同時，由于太陽系中沒有人類宜居的星球，以人類現有的科技水平還無法到達太陽系之外，所以一個出現在土星附近的蟲洞成了人類的救命稻草，為人類帶來了離開太陽系的希望。

理論上講，由于星體的質量不同、引力不同，有可能引起時空彎曲。所以科學家在研究時空彎曲時突發奇想：就像一只螞蟻想從蘋果的一端爬到另一端，既可以選擇繞著蘋果的外層爬過去，也可以選擇直接爬過蟲子的蛀洞，穿到對面去。假如我們的時空就是蘋果，如果繞著蘋果的外圍走，人類能到的地方非常有限，但如果有一條蟲洞一樣的通道，穿過去，就能快速到達對面。

在電影中，主角庫珀所在的探險小組正是穿過了這樣的蟲洞，才避免了飛船運行速度不及16.7千米/秒（第三宇宙速度）的技術限制，到達了太陽系之外的陌生星系。出現在他們眼前的那個黑洞，就是電影中另一個雖然沉默，卻不可忽視的主角。

由于有質量就有引力，假如有30顆與太陽質量相近的恒星從誕生起，就在與自身的引力進行“抗衡”，直到冷卻、收縮，最終形成一個密度無限大、體積無限小的天體，那就是“黑洞”，它的引力非常強。而探險小組到達的第一個星球，就是圍繞黑洞軌道旋轉，受黑洞強引力影響的米勒星球。

就像地球，因為天體的引力，導致海水周期性漲落而形成潮汐，米勒星球也因為黑洞的引力形成潮汐。只是它的潮汐足有千米高，讓人類乘坐的那艘能夠穿越蟲洞、漫游宇宙的飛船，在滔天巨浪面前，變成了小小的舢板，人類不再有乘風破浪的自信，只能隨著浪潮浮沉。

但是黑洞引力對于這個星球最大的影響不是潮汐，而是時間。

在廣義相對論中，沒有絕對的、唯一的時間，時間都是相對的。它預言：在大質量的物體附近，時間流逝得更慢。所以黑洞的強引力導致米勒星球的時間走得非常慢，一個小時相當于地球的7年。因此，當探險小組從米勒星球的巨浪中死里逃生之后，地球的時間已經過去了20多年。

那么，在黑洞中時間又是什么樣的呢？在《時間簡史》中，霍金舉了一個例子：假設在一顆大質量的恒星坍縮成黑洞之前，有一個勇敢的宇航員降落到恒星上，每一秒都向恒星之外的飛船發出信號，人們會發現，這個每秒的信號會越來越長，直到這顆恒星縮到一個界點之后，引力場已經強大到沒有任何東西可以逃逸出去，這一秒鐘被無限延長，永遠到不了下一秒。這個宇航員被永遠留在了過去、現在、未來。

2017年10月16日，人類首次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。這是繼人類首次探測到引力波信號、首次探測到來自雙黑洞合并的引力波信號之后，最令人振奮的收獲。它為百年前愛因斯坦提出的相對論提供了證明。

就像《星際穿越》的科學指導、理論物理學家基普·索恩所言：“通過發現引力波，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程——一場探索宇宙那彎曲的一面的旅程。對黑洞碰撞和引力波的觀測，正是這個旅程中第一個完美的范例。”

宇宙探索的下一個完美范例，會不會正在等待著你去探索、去發現？讓我們拭目以待！