《星際穿越》（Interstellar）即將于50天后在全球公映了，本片由著名導(dǎo)演克里斯托弗諾蘭導(dǎo)演，喬納森諾蘭創(chuàng)作原始劇本，克里斯托弗諾蘭修改劇本，馬修麥康納、安妮海瑟薇、杰西卡查斯坦、邁克爾凱恩等主演，漢斯寂寞譜曲，Hoyte van Hoytema代替已經(jīng)轉(zhuǎn)行當(dāng)導(dǎo)演的沃利菲斯特?fù)?dān)任攝影，諾蘭妻艾瑪托馬斯與諾蘭一起擔(dān)任影片的制片人。
在影片上映前，不妨先了解幾條片中可能涉及的物理定律，這樣應(yīng)該會(huì)令坐在影院的你更好地了解影片劇情。
首先，我們必須要清楚的是，Interstellar的劇本時(shí)基于科學(xué)家基普索恩的時(shí)空穿梭理論而書寫的，而基普索恩本身也是影片的監(jiān)制，所以在本部影片中所有的科幻概念及故事各個(gè)細(xì)節(jié)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，都應(yīng)該是基于最基本的物理理論來開展的，正是因?yàn)檫@樣，大家需要了解一些最為基本的物理學(xué)概念，當(dāng)然了，不需要太深入，只需要知道些皮毛即可，這樣才可以使大家在觀影的時(shí)候陷入邏輯混亂。其實(shí)對(duì)于理科生還好些，畢竟了解一些，而對(duì)于文科生來講，若不去了解一些基礎(chǔ)知識(shí)的話，觀影的時(shí)候肯定會(huì)是一頭霧水了……
1、萬有引力定律與廣義相對(duì)論
傳說中，牛頓先生坐在一棵蘋果樹下乘涼，突然有一顆蘋果掉了下來砸了他的腦袋，于是就有了萬有引力定律。當(dāng)然了，傳說只是傳說，牛頓先生絕對(duì)不會(huì)僅僅因?yàn)橐活w掉落的蘋果兒頓悟的，就像他自己說的那樣，他站在巨人的肩膀上……
事實(shí)上，萬有引力定律來自于開普勒的行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，而這個(gè)卻是開普勒先生利用了至少二十年的時(shí)間通過搜集整理其老是第谷一生的測(cè)量結(jié)果之后得到的，所以我們不能把這些事情想象得那么簡(jiǎn)單。在開普勒三大行星運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上，牛頓利用科學(xué)的邏輯推導(dǎo)方法，最終總結(jié)出了萬有引力定律，在描述中認(rèn)為所有的有質(zhì)量的物體之間都存在著某種引力的作用，引力的大小與作用物體的引力質(zhì)量大小成正比。
牛頓的理論影響了其后進(jìn)二百年的物理學(xué)世界，而且根據(jù)牛頓的理論確實(shí)能夠解決幾乎所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)問題。但是，在19世紀(jì)時(shí)，電磁學(xué)獲得了非常大的發(fā)展，并且另一位偉大的物理學(xué)家麥克斯韋先生成功地總結(jié)出了電磁學(xué)的運(yùn)動(dòng)定律——麥克斯韋方程組，并預(yù)言了電磁波的存在，隨后赫茲先生成功地證實(shí)了電磁波的存在并證明了光波是電磁波的一種。電磁波的證實(shí)為當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界提出了很多問題，最簡(jiǎn)單的一條就是：電磁波究竟是在什么介質(zhì)中傳播的呢？為了解決諸如此類的問題，幾乎所有的物理學(xué)家都在利用當(dāng)時(shí)的牛頓力學(xué)體系去解釋電磁波的運(yùn)動(dòng)，不過讓他們失望了，最終幾乎所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都在證明著一點(diǎn)——電磁運(yùn)動(dòng)定律與牛頓力學(xué)體系不兼容。而此時(shí)的物理學(xué)界，確實(shí)需要一個(gè)天才的新的理論的誕生，來解決物理學(xué)的困難。
愛因斯坦——人類歷史上最偉大的科學(xué)家，據(jù)說在他十幾歲時(shí)就開始思考一個(gè)問題：如果人追著光跑，會(huì)出現(xiàn)什么情況？當(dāng)他從蘇黎世工學(xué)院畢業(yè)后，就業(yè)于伯爾尼的一個(gè)專利局，愛因斯坦依然還在思考這個(gè)問題，當(dāng)他有一天突然搞明白了一點(diǎn)之后，所有的問題隨之而解，這一點(diǎn)就是：光在真空中相對(duì)于所有的參考系而言速度不變，永遠(yuǎn)保持為c。這一點(diǎn)沖擊著所有人的腦袋，因?yàn)榻?jīng)典牛頓力學(xué)體系中的相對(duì)性原理認(rèn)為所有的速度都是相對(duì)的，跟參考系的選取有關(guān)，可是現(xiàn)在光速竟然可以相對(duì)所有的參考系保持恒定，無論你參考系是低速的還是接近光速運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)時(shí)幾乎所有的物理學(xué)家都不能接受這一點(diǎn)。
當(dāng)愛因斯坦將光速不變?cè)斫Y(jié)合相對(duì)性原理之后，很自然地就推導(dǎo)除了著名的洛倫茨變換公式，于是就有了狹義相對(duì)論，并且推翻了人們慣有的時(shí)空觀。在這之前，人們一直以為時(shí)間和空間是隔離的，時(shí)間均勻流動(dòng)，而空間則是三維平直。但狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間和空間是糾結(jié)在一起的，與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，只有當(dāng)物體加速到接近光速時(shí)才會(huì)有明顯的相對(duì)論效應(yīng)。在這之后，愛因斯坦進(jìn)一步研究了時(shí)間和空間的關(guān)系，并且把目光對(duì)準(zhǔn)了大質(zhì)量的天體，隨后提出了著名的等效原理——加速度引力等效原理，再引入了黎曼幾何來取代原來的歐幾里得幾何，于是就有了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論首先再次闡述了我們所處的時(shí)間空間都是糾結(jié)在一起的，而且是扭曲的，扭曲的程度跟引力的大小有關(guān)，如果所處位置的引力很大，那么時(shí)空的扭曲程度就越大。用另外的話講：引力不同的兩個(gè)位置的時(shí)間流逝的速度是不一樣的，引力越大，時(shí)間流速越慢。
基于廣義相對(duì)論的描述，我們很容易想象，“天上一天地上一年”這句古話是可以獲得非?？茖W(xué)的物理學(xué)解釋的，只要這個(gè)“天”處于一個(gè)巨大質(zhì)量的天體附近就可以了。
2、黑洞與蟲洞
說道巨大質(zhì)量的天體，不得不說那個(gè)神秘的讓我們望而生畏的天體——黑洞。黑洞之所以神秘，是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的物理學(xué)根本無法解釋黑洞里面發(fā)生的事，于是從我們普通人的理解來看，一個(gè)連光都無法逃脫的地方一定是一個(gè)無盡的深淵，而且更可怕的是，這個(gè)東西還可以撕碎我們所看到的物質(zhì)世界的幾乎所有東西。
黑洞就是中心的一個(gè)密度無限大、時(shí)空曲率無限高、體積無限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個(gè)天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死的大質(zhì)量恒星會(huì)因其自身引力而塌縮崩潰，崩潰的同時(shí)會(huì)發(fā)生超新星爆炸，在爆炸的核心處，剩余的質(zhì)量將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。在黑洞的周圍，時(shí)空的扭曲程度是極高的，也同樣會(huì)導(dǎo)致在黑洞周圍的時(shí)間流速相對(duì)于我們而言是極慢的，也就是說，如果你在黑洞的周圍生活，很容易實(shí)現(xiàn)“天上一天地上一年”！
蟲洞（Worm hole），又稱愛因斯坦－羅森橋洞，是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道。蟲洞的概念是1930年由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)的，認(rèn)為透過蟲洞可以做瞬時(shí)間的空間轉(zhuǎn)移或者做時(shí)間旅行，但截至目前為止，這一點(diǎn)還從未獲得過證實(shí)?！跋x洞”的超強(qiáng)力場(chǎng)可以通過“負(fù)能量”來中和，達(dá)到穩(wěn)定“蟲洞”能量場(chǎng)的作用?？茖W(xué)家認(rèn)為，相對(duì)于產(chǎn)生能量的“正物質(zhì)”，“反物質(zhì)”也擁有“負(fù)質(zhì)量”，可以吸去周圍所有能量。像“蟲洞”一樣，“負(fù)質(zhì)量”也曾被認(rèn)為只存在于理論之中。不過，當(dāng)前世界上的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地證明了“負(fù)質(zhì)量”能存在于現(xiàn)實(shí)世界，并且通過航天器在太空中捕捉到了微量的“負(fù)質(zhì)量”。據(jù)科學(xué)家猜測(cè)，宇宙中充斥著數(shù)以百萬計(jì)的“蟲洞”，但很少有直徑超過10萬公里的，而這個(gè)寬度正是太空飛船安全航行的最低要求?！柏?fù)質(zhì)量”的發(fā)現(xiàn)為利用“蟲洞”創(chuàng)造了新的契機(jī)，可以使用它去擴(kuò)大和穩(wěn)定細(xì)小的“蟲洞”。科學(xué)家指出，如果把“負(fù)質(zhì)量”傳送到“蟲洞”中，把“蟲洞”打開，并強(qiáng)化它的結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定，就可以使太空飛船通過。不過遺憾的是，為了維持蟲洞的穩(wěn)定性，需要大量的負(fù)能量聚集在一起，而在我們?nèi)祟悓?shí)際的宇宙觀測(cè)之中，還從未證實(shí)過負(fù)能量聚集這一狀況。
3、時(shí)空穿梭
事實(shí)上，我們已經(jīng)在很多的影視作品中看到過時(shí)空穿梭相關(guān)的情節(jié)，比如《星際迷航》、《環(huán)形使者》、《回到未來》系列、《終結(jié)者》系列等等，在這些作品中可以利用時(shí)空穿梭機(jī)或者以穿越黑洞蟲洞的方式將人或者物品送到過去的年代，不過這些都還是科學(xué)幻想，那么這些科學(xué)幻想科學(xué)么？
我個(gè)人現(xiàn)在不敢說在未來人類科技進(jìn)一步進(jìn)步后這些依然還不科學(xué)，我只能從目前的物理學(xué)理論出發(fā)做出基于目前物理學(xué)理論的判斷，把人或者物送回到過去的這些想法沒有獲得現(xiàn)在已經(jīng)有的物理學(xué)理論的支持，也就是說，基于目前的物理學(xué)理論，這不科學(xué)！為什么會(huì)這樣呢？很簡(jiǎn)單，因?yàn)閻垡蛩固沟墓馑俨蛔冊(cè)?，真空中光相?duì)于任何參考系的運(yùn)動(dòng)速度都是c，所以光速c是一個(gè)基于目前的物理學(xué)理論永遠(yuǎn)無法企及的速度門檻，越不過這個(gè)門檻，就永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的回流。
但時(shí)空穿梭是否能夠?qū)崿F(xiàn)呢？我的回答是可以，但不能向過去穿梭，可以向未來穿梭。但就時(shí)間的穿梭而言，就像前面已經(jīng)解釋過得，只需要在一個(gè)超大質(zhì)量的天體的扭曲時(shí)空中生活的話，時(shí)間的流速要相比于扭曲程度很小的空間內(nèi)慢得多，可以實(shí)現(xiàn)“天上一天地上一年”的神話傳說。在空間上，因?yàn)榛谀壳暗奈锢韺W(xué)我們所制造的飛行器是不可能接近甚至超越光速的，所以面對(duì)浩瀚的宇宙空間，我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)空間上的穿梭呢？基于物理學(xué)家基普索恩（Interstellar電影的物理學(xué)顧問、監(jiān)制）的理論，穿越蟲洞就可以實(shí)現(xiàn)空間上穿梭，但前提是必須要有一個(gè)天然或者人造的大型蟲洞，不然的話一切依然是渺茫的。
而在本片中，所有的故事情節(jié)都是基于現(xiàn)有的物理學(xué)理論，所以影片中絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)很多超出現(xiàn)在物理學(xué)理論的情節(jié)（可能有個(gè)別情節(jié)會(huì)有），而且從預(yù)告片來看，主角們是實(shí)現(xiàn)了宇宙飛船的時(shí)空穿梭，但這個(gè)穿梭并非很多人想象的那樣是兩個(gè)平行時(shí)空之間的穿梭，而是我們所處的時(shí)空內(nèi)不同兩個(gè)點(diǎn)之間的穿梭，也就是說，主角們沒有跑到我們的宇宙之外的世界。
