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整理：老K
责编：Pug
少年导读：感谢诺兰，由于电影《星际穿越》的热映，片中关于黑洞、多维空间和广义相对论的解读与呈现引发了新一轮「群体性物理狂欢」。数十年后回头看，也许这真的是一次意料之外的「物理启蒙」。一夜之间，几乎所有人都开始仰视宇宙，放下身边小世界的纠结，用更大的胸怀，去尝试理解头顶上那个更大的世界。当然也有一些知识水平很高的观众看完后觉得电影的理论基础不坚实，漏洞百出。少年们，今天让我们来聊聊科幻吧。
MankindwasbornonEarth.Itwasnevermeanttodiehere.
首先从本片的科技顾问KipThorn谈起。此人30岁即成为加州理工学院（最年轻的的）正教授，目前担任加州理工学院费曼理论物理学教授，是当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一。索恩的研究方向主要为相对论天体物理学和引力物理，着重于对相对论性星体和黑洞，特别是引力波的研究。对于公众而言，索恩最著名且富有争议的理论可能就是他关于虫洞或许能够作为时间旅行工具的假说。不过，索恩真正的科学贡献其实涵盖了广义相对论里以时空和引力本性为中心的几乎全部的话题。
此人也就是诺兰在Comic-Con上提到的，帮助了兄弟俩建立了影片的理论基础并且参与了剧本创作的物理学家。
他通俗易懂的科普文章《IsTimeTravelAllowed》（原文请猛戳篇末“阅读原文”）可以很好地帮助观众理解《星际穿越》。
《时间旅行可行吗》(选编)
（译文转自Dr-X时光网博客）
物理学定律表明：正向穿越是可行的；但是逆向穿越，人类的科技还达不到足以证实的程度。
☆正向的高速时间旅行
爱因斯坦的相对论说，时间对于每个人来说都是不同的。（爱因斯坦认为，光速状态能使时间停止，超光速会使时间倒流。而霍金认为，达到光速的可能性为零，最多只能无限接近光速。）
拿“双生子悖论”来说。假设诺兰兄弟是双胞胎，乔纳森待在家里，而克里斯托弗去太空做高速旅行后回来，乔纳森会比克里斯托弗老。如果寿命是无限的话，乔纳森可能几千岁了克里斯托弗才几十岁。
正向时间旅行是受到实验证实了的，比如：（卫星轨道上的时间比地球表面时间每天要慢约0.秒）准光速运动的基本粒子相比静止的粒子延缓了衰变等等。
☆逆向的时间旅行：年代（chronology）保护
霍金认为：物理学定律总是防止逆向时间旅行的发生，从而帮历史学家保证了宇宙的安全。我们物理学家认为（1）创造时间机器需要大量的特殊材料，但是物理定律使得特殊材料不能够大量的存在（2）在有人想要启动时间机器时，机器总会自爆。
☆利用虫洞时间机器
虫洞是连接宇宙中两个地点，比如我在Caltech的办公室和Caltech球场的超空间隧道。所有虫洞口看起来都像个水晶球（如剧本的描述），从一边可以看到另一边扭曲的景象。我能从办公室看到球场，而球场的人也能通过虫洞口看到我的办公室。可能虫洞的超空间隧道只有三米，但实际我的办公室到球场的距离是米。穿越隧道我只需要走三米就可以到达米外的球场。
Mecrawlingthroughawormholewhoselengthisonlyafewcentimetresbutcircumferenceisaboutthatofmybelly.
现在假设，一个来自高度文明的生物携带球场的虫洞口，超高速进入宇宙，做类似“双生子悖论”的运动。这个虫洞口返回时，可能就算它只过了一秒钟，而我的办公室那个虫洞口却过了一整天的时间。那么这时，虫洞口就成了时间机器：我从一端进入就到了另一地点的明天，从另一端进入就到了这个地点的前一天。
Awormholeasviewedfromahigher-dimensionalhyperspace.OurUniverseisthetwo-dimensionalsheet.Thewormholeisashortcutthroughhyperspacefromonelocationinoursheet(ourUniverse)toanother
（更高维度下的虫洞示意图。这个图和过去未来应该没有什么联系。这么解释吧——假设诺兰兄弟从上虫洞口右侧向左侧移动，乔纳森避开虫洞口继续向左走，克里斯托弗选择走虫洞。过了一段时间，克里斯托弗穿过虫洞到达下表面向右走的时候，乔纳森可能还在上表面继续向左走着。）
☆奇异物质和真空涨落
我们不知道物理学定律是否允许虫洞存在。但我们知道，虫洞会轻易消失，除非利用奇异物质产生的与引力相反的负引力，把它撑开。奇异物质是指拥有负能量和反引力力的物质。
量子物理定律允许奇异物质的存在，而且已经有实验室能创造出微量的奇异物质了。
WormholeheldopenbyCasimirVacuum:Twoconcentricsphericalconductingplatesareplacedatthethroatofawormhole,withatinyseparation.(Onedimensionissuppressedhere,soourUniverseisa2-dimensionalsheetandtheplateslooklikecirclesratherthanspheres.)Iftheplatesenergies(includingtheirmasssenergyE=mc2)aresmallenough,thentherepulsivegravityduetotheCasimirvacuumbetweentheplatescanholdthewormholeopen.（大概是真空涨落产生的负引力撑开虫洞）
☆时间机器自爆
就算可以建造虫洞并保证虫洞的稳定，还有另一个问题--时间机器的自爆。
（再插一段。看了很多遍，还是和真空涨落有关。看图吧——意思大概是，真空涨落会在虫洞式的时间旅行开始时就开始不停往返，不断堆积，在短时间内积累大量涨落。我借用霍金的简要解释，应该更容易理解：虫洞一旦打开，自然辐射便会进入其中，来来回回形成回路，能在短短一瞬就积累巨大的能量。）
Timemachineselfdestruction:Astherightwormholefliesbacktowardtheleft,attheendofitstwins-paradoxtrip,vacuumfluctuationsflowthroughthewormholethenoutthroughthespacebetweenthem,returningtotheirstartingpointatthemomenttheyleft.Theirgravitatingenergygrowsextremelylarge,andperhapsdestroysthewormholeatthemomentitbe 事实是，这部电影尽管有KipThorne这样的物理学巨擘保驾护航，却意外的好懂亲民，我就算想写高哔格影评分析剧情都不知道哪里入手，简单地说，就是地球快咽气的时候，NASA发现土星附近出现了一个虫洞，虫洞只能人为制造，尽管不清楚到底谁干的，但是虫洞可以大大缩短宇宙旅行距离，因此人类有了寻找新家园的可能性。第一批派出的探索者有三个反馈了积极信号，于是主角团就穿越虫洞找这三颗星球。在前两个星球历险后，燃料不足以支撑回程，所以Cooper利用黑洞引力让Brand去找第三颗，自己则随着脱离的舱体进入黑洞。后来发现黑洞内部的世界由五维度生物（未来人类）制造，而就是他们引导着过去的人类拯救自己，Cooper领悟后开始当图书管理员引导自己并传给女儿信号，最终解决重力难题，拯救了大家。 本片在理念上没有硬伤，乔纳森诺兰对情节中一些“bug”的解释我翻译好后会放在影评结束的部分，下面是一些大家可能感兴趣的细节： 1、交通工具 不断旋转的环状结构飞船是母舰Endurance，在拉撒路任务的第一阶段相当于一个空间站，不断传回虫洞那头的消息。它有12个（3组）太空舱，包括4个引擎、4个永久舱室（比如实验室和科学家的居住舱）、4个携带殖民物资可脱离母舰的舱室。 Ranger飞船不止一艘，主角们搭乘Ranger1号登上了Endurance，以后也一直用的1号。在Mann博士的星球，Mann用计把主角们引离1号，抢夺1号后强行和Endurance对接未果，1号报销。而在黑洞附近，Cooper搭乘了Ranger2号把自己推射进黑洞，得以让Endurance继续前行。 Lander是用于运载携带殖民物资太空舱的登陆船，体型庞大宛若运输机，就是Brand开去救Cooper的那艘。后来这个庞然大物愣是赶上了Endurance的旋转节奏，和其达到相对静止后对接了上去。在Endurance滑过黑洞的时候，为了给母舰减重/节省燃料，它和TARS搭乘的Ranger2号一起脱离了母舰。 2、TARS和CASE 这两个是军用机器人，外表貌似致敬里无处不在的黑石碑。它们拥有通过磁力枢纽拼合起来的四个主块，每个主块又能延展出更多的小磁力长方体，所以不但能奔跑、公主抱，还可以伸出灵巧的小手指“手动”操作飞船对接。诺兰就是为了避免以往科幻片对机器人相当独断的设计理念（尽量拟人化），才设计出了俄罗斯方块般的萌物，日后也许可以出手办。 尽管看似黑石碑，但是幽默感和绝对服从让其显得特别可爱，在经历了里的HAL后，你还想要求人工智能怎么样。 在片场这两个机器人由喜剧演员BillIrwin手动操纵，方法如同操纵牵线木偶，后期他的身影会被抹去。机器人如此生龙活虎，这位功不可没。同时他也是话唠TARS的配音。TARS的小伙伴，优雅寡言的CASE是JoshStewart配音的，没错，就是TDKR里贝恩的一号小跟班，戴红领巾的小哥（ 3、黑洞和虫洞 黑洞和虫洞是完全不同的两个概念。 Kip是个好老师，可以把复杂的理念解释得很清楚。影片里相当形象地解释了虫洞。它就是借助空间折叠、连接超远距离两个地点的快速通道，所以太空旅行的时间可以大大缩短，这也是拉撒路任务最关键的部分。虫洞的能量场并不稳定，而且通常很细小，不足以通过飞船，但科学家们认为可以通过反物质的负能量去中和，强化其结构、稳定其能量场，使其足以容纳飞船穿过（只有负能量才能维持虫洞的开启状态）。所以，不要说现在虫洞不存在，那是因为我们的科技水平不够。但是在未来，通过虫洞进行星际旅行的可能性是有的。 黑洞吸收一切物质，谁也不放过。主角们在燃料快耗尽的情况下，利用黑洞的超强引力靠近最后一个星球，如果你玩了配合电影发行的app，就知道此时只需要控制方向，别让飞船离黑洞太近（会被吸）或者脱离轨道（会遗失太空）。最后应该是利用了飞船部分脱离产生的反作用力给Endurance提供向前的动力。 人们对黑洞事件视界（eventhorizon）之内的事情一无所知，正因为一无所知，所以理论上编剧们怎么玩都行。最近看了探索频道的纪录片《星际穿越的科学》，其中提到宇航员如果接近黑洞，标准结局是被拉成面条，但是后一句又紧接着提到“涉及到黑洞时，任何物理定律都是不顶用的，对于到底会发生什么，我们真的不知道”。 A计划的关键在于重力，我猜，这具体来说就是如何把地球上的人都送上殖民星球，而现在的人类科技无法达到如此水平，因为我们对重力的研究还不够透彻，我们需要关于黑洞里奇点的一切资料。这在Brand爹看来毫无希望，所以A计划一开始只是个忽悠人的幌子，B计划的受精卵倒是更为现实。 4、黑洞里发生了什么/我们的未来怎么样 马修的几个惊诧脸镜头配合光怪陆离的黑洞内部景象，相当明确地体现了导演致敬库布里克的少女心。这里发生的事情超出了三次元人类的认知，是打破次元墙、混淆时空的存在。层层叠叠的嵌套时空不由让人想起了Inception和诺兰处女作Doodlebug。看来折叠、旋转、重力/物理规则的改变确实是他的菜。 对于这一切混乱，剧本将其推给了五次元生物——未来人类。是未来的人类制造了虫洞拯救过去的自己、未来的Cooper领悟了这个道理后发暗号引导自己上船。 KipThorne把关的剧本都没解释具体原理，说明这里的具体原理显然不需要我们理解，我们只要知道是这么一回事就好了。按照乔纳森的解释，黑洞的视界之内相当于有一个信箱，可以接收来自未来的信件，你只有到达黑洞才能发现这个信箱，而这个信箱也只能放在黑洞里，借由重力和一些特殊条件（比如爱）才能达到信息传递的目的。黑洞里叠加了各种时空，未来人类把所有需要的数据和方程都通过TARS之口告诉了Cooper，Cooper再以铁杵磨成针的毅力把信息翻成摩斯电码传给女儿的手表。 简单地说，就是未来的某个时刻，人类要做一件拯救祖先的事情，不做不可以，如果不做的话自己就不存在。这样一说是不是像因果律武器？先达成“人类存活”这个结果，再导出拯救自己的过程。因为黑洞里时空可随意操纵，所以一切都好说。 英灵Cooper，对界宝具为因果律武器：那一年送给女儿的表。 在这件任务完成后，信箱关闭，Cooper通过某条快速通道被抛到了土星附近（即出现虫洞的地方），时间这种概念在事关黑洞的时候显得无关紧要，所以大家不必在乎这一瞬间过去了多久，按照结尾处男主的岁数推断，大概这黑洞一来一去年过去了。总之，因为一切皆有可能（积极版墨菲定律），所以男主在茫茫宇宙中被拯救也是可能的。他醒来时所在的空间站是人类暂时栖居的新家园，位于土星附近，基于Murph攻克的重力难题建立。Brand幸运地发现男朋友（死了）的星球适合生存，因此那颗星球将成为人类的殖民地，而片尾也暗示男主将带着TARS开始新的征程。
“让我们谈谈理想嘛”
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