天文学专家大胆预测：本世纪末人类或可“星际穿越”
最近热映的好莱坞科幻巨制《星际穿越》，因片中涉及黑洞、虫洞、相对论效应、多维空间等大量物理学前沿理论，被网友称为“烧脑神作”，引发各种讨论。11月2 2日，中山大学天文与空间科学研究院院长李淼做客由广东科学中心和南方都市报联合举办的小谷围科学讲坛，为观众详细讲解《星际穿越》背后的科学真相。在李淼看来，除了结尾部分的“超立方体”无法用现存物理学来解释外，电影里大多数科学细节都经得起推敲，他更大胆推测，本世纪末，人类可实现“星际穿越”。地球如果变黑洞是什么模样？
电影《星际穿越》的科学顾问兼制片人，是美国加州理工学院的著名理论物理学家基普·S·索恩。在影片上映的同时，索恩专门写了一本书，名为《<星际穿越>中的科学》，介绍影片中没有明确说明的科学设定。
影片中故事发展的空间背景，除了地球，还有一个叫做“卡冈图亚”(法国文学家拉伯雷小说里巨人的名字)的巨大黑洞。李淼说，导演诺兰对黑洞视觉效果的模拟呈现非常逼真。而这个黑洞模型以及围绕它旋转的三颗行星的具体参数，均由索恩团队通过大量精确计算得出，符合科学原理。
广义相对论认为，宇宙中存在一种超高密度天体，因其引力巨大，以至任何物质进入黑洞后都无法逃逸，甚至是光线，故被称为“黑洞”。宇宙中的黑洞数以百亿计，几乎每个星系都存在黑洞，银河系中心的黑洞在1998年被美国加州大学洛杉矶分校的女科学家安德里亚·盖茨所发现。
黑洞质量十分巨大，而体积却非常小。李淼说，如果一个黑洞的质量跟太阳相当，那么它的半径仅有3公里左右；如果这个黑洞质量跟地球相当，其半径则不到1厘米，“换句话说，只有地球被压缩到半径不到1厘米时，它才有可能形成黑洞。”索恩为电影所设计的黑洞“卡冈图亚”，质量是太阳的一亿倍，其半径约为3亿公里，刚好相当于地球到太阳距离的两倍。
一小时等于七年如何实现？
在影片中，主人公登陆的第一个行星———米勒星球位于“卡冈图亚”附近，在这里，“时间成了一种最宝贵的资源”。
根据爱因斯坦相对论，引力可以导致时间扭曲，引力场越大，时间流逝得越慢，这种效应被称作“时间膨胀”。李淼说，时间扭曲导致不同地点时钟走的速度不一样。比如，将两只初始时间一模一样的原子钟，一只摆在喜马拉雅山顶上，一只放在广州，一段时间后会产生时差，山顶的时钟走得相对较慢，因为受到的地球引力要小，“当然，这个差距是极小极小的，比如几万分之一秒。”
于是，米勒星越靠近黑洞，引力场越大，时间也就越慢。慢到什么程度？为了剧情需要，导演诺兰要求，米勒星上的1小时要相当于地球上的7年。李淼介绍，根据上述“时间膨胀”效应，诺兰的要求根本无法实现，因为通过计算，需要米勒星的公转轨道半径只比黑洞半径大一百亿分之一，这个距离比行星自身的半径还要小很多很多，“索恩回去想了一夜，造了一个高速旋转的黑洞，问题引刃而解。”
同样根据相对论，物体的运动速度越快，时间就越慢，当运动速度达到光速时，时间就停止了。李淼介绍，索恩设计的黑洞“卡冈图亚”，自转速度几乎达到了人类目前已知的极限速度———光速，仅仅比光速慢一百万亿分之一。于是，米勒星围绕黑洞公转的速度也是光速的量级，也就产生了电影里主人公在米勒星上只待了三个多小时，母船上的黑人同伴却等了他23年的戏剧性效果。
千米巨浪究竟靠不靠谱？
电影里，米勒星表面大部分被海洋覆盖，海水深不及人的膝盖，却能掀起千米高的巨浪。李淼解释说，巨浪是米勒星受到黑洞巨大的潮汐力影响而产生的，在黑洞的万有引力作用下，米勒星的外形类似于一个鸡蛋。
不过，也有人质疑，米勒星靠近黑洞，早就应该被“潮汐锁定”了，即行星的一面永远面向黑洞，表面的海水会隆起，但相对米勒星表面不会移动，所以也就不会有浪。对此，索恩在书中的解释是，类鸡蛋形的米勒星在公转过程中会不断摇摆，导致潮汐力还是会起作用。索恩的计算结果是，如果米勒行星的摇摆周期是1小时，那么就会产生1200米高的巨浪。
米勒星处于黑洞边缘，其逃逸速度可能接近光速，或者是光速的1/10左右，人类的技术能像电影里一样从米勒星上返回太空吗？李淼的回答是，“还好，不需要等到我们造出光速飞船就可以做到。”
飞船如果要逃离米勒星球，只需要沿着它绕黑洞公转的方向起飞即可。李淼说，以人类目前的火箭技术，可以达到每秒20公里左右，加上“引力弹弓效应”，速度可达300km /s，“通过技术手段走出太阳系目前还是非常困难的，到本世纪末也许可以达到，我推测那或许就是星际穿越发生的年代。”
“超立方体”纯粹是想象
在李淼看来，《星际穿越》“最神秘的地方和最大的漏洞是那个‘超立方体’，这个‘超立方体’无法用现存的物理学来解释，导演只好引入第五维度。”
影片中，主人公库帕落入黑洞后，莫名其妙地掉到一个“超立方体”中，很多观众看到这一段不免会觉得云里雾里。
李淼解释说，这一场景是完全由导演想象的。“超立方体”是人脑无法直观想象的四维空间。四维空间里的立方体被称为“超立方体”，在我们生活的三维空间里，立方体有六个面，每个面是一个二维的平面，通过归纳法可以知道，“超立方体”有八个面，而每个面则是三维的立体。李淼说，三维的人不可能进入四维空间，库帕其实是落到了“超立方体”的一个“面”上，这个“面”正如电影里所呈现出来的效果，是一个三维空间。至于被困在里面的主人公如何向过去的三维世界传递信息，“这点违反了我们目前的科学认识，完全是导演的想象。”
现场问答
听众：黑洞附近没有恒星，那么米勒星等三颗行星的能量来自哪里？
李淼：行星能量的来源，就是黑洞“卡冈图亚”周围那一圈发光的物质，在天文学上叫“吸积盘”。黑洞周围的吸积物质绕黑洞旋转，由于各部分速度不一样，会有摩擦，因而发光发热，辐射产生能量。
听众：主人公库帕掉进黑洞为何没有被撕碎？
李淼：很简单，因为这个黑洞很大，虽然产生的引力也很大，但是作用到库帕身上的潮汐力却很小，潮汐力其实就是引力差，在米勒星这种大型天体上就能产生明显效果。比如，为什么我们可以看到海洋的潮汐现象，但在装满水的碗里却看不见潮汐？因为海洋足够大。
听众：《星际穿越》有哪些科学上的bug？
李淼：除了“超立方体”外，黑洞附近行星上的“冰云”不太合理，片头造成植物大量死亡的枯萎病假设也有点弱，还有就是库帕掉入黑洞，人没事乘坐的飞船却被撕裂了，有点不太明白是怎么回事。
李淼说
●如果让我来坐索恩的位置，我还会在剧中呈现中子星、白矮星、双星系统等奇异天体。
●《不要温和地走进那个良夜》，在我看来，这首诗在影片中的用意很简单，就是为了衬托主人公库帕告别家人，代表人类走进宇宙不可知的黑暗当中。
●我们只知道暗物质的存在，但却不知道暗物质是什么，这也许就是这项工作的意义，“科学只是好奇”。
采写：南都记者 金可镂
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