解讀《星際穿越》:黑洞內部是生機勃勃還是死寂之地,關鍵是溫度

雖然黑洞被包裹在事件視界內,用任何已知的方法都無法直接觀測內部,但是無法阻擋人類的好奇心和探索的慾望。

解讀《星際穿越》:黑洞內部是生機勃勃還是死寂之地,關鍵是溫度

星際飛船

科幻電影《星際穿越》的男主角主動脫離飛船,進入黑洞內部就是為了一窺究竟。

這並不是男主角自殺的行為,在電影的一開始就介紹了,科學家們已經計算出在黑洞內可能有另外的時空,只是參數不確定。

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《星際穿越》的男女主角

最開始提出這種觀點的是霍金。霍金對黑洞的研究過程中提出:物體越過黑洞視界向黑洞墮落的過程中,就可能會出現違反時序的情況。

整個電影的故事背景就是在霍金的這一理論下展開的。科學家計算出了除了物理奇點之外還有別的奇點,這個奇點其實並不是物理意義上的點。而只是數學計算上的點。可以認為是時空的拐點,如同地球和月亮之間的拉格朗日平衡點。

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時空扭曲效果

黑洞事件視界所包裹範圍內可能出現的情況,有三種。

第1種:所有的質量都集中在奇點。

黑洞沒有溫度,只有質量、電荷和自旋。在黑洞的理論誕生很長一段時間內,這都是科學家的主流認識。這個理論又被稱為黑洞無毛定理。

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大黑洞“卡岡圖雅”外圍的行星

第2種:考慮物質在向奇點匯聚的過程中,越過普朗克尺度產生的量子效應,會發生一次劇烈的反彈。

這個反彈的結果,是在黑洞的內部會形成一個和我們現在宇宙相似的,微型的宇宙。這個觀點在黑洞理論的誕生時,就有科學家持有這樣的觀點,但是並不是主流。因為主流的觀點認為是黑洞是沒有溫度的,所以裡面是不存在任何生態的。

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可能存在於黑洞內部的超智慧結構

但是霍金髮現黑洞的視界表面,會有輻射向外發出。間接證據證明,霍金輻射很可能是存在的。根據霍金的觀點,黑洞越小輻射越強烈,極小的黑洞會在瞬間之內蒸發。所以到目前為止,還不存在微型黑洞。

霍金輻射證明了黑洞是有溫度的。這個觀點是現在主流科學家的觀點。有溫度的物體,內部絕對不是死寂一片。這就引來了人類無限的好奇心,可以說《星際穿越》是向霍金的學術研究成果致敬。

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隱藏在黑洞內部時空泡泡裡的城市

第3種情況:《星際穿越》裡面描述的黑洞內部場景。

這個黑洞內部的場景,理論依據是對黑洞內部時空構造的最新研究成果。

這個觀點實際上是折中的第1種情況和第2種情況。承認第1種物理的奇點,還存在著時空的奇點。這只是一種計算奇點(溫和奇點)。

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在溫和奇點的機械衛士

物體向物理奇點跌落的過程中,會困在這個"溫和奇點"附近。所以掉入黑洞的物質不會落到物理奇點,男主人公才會保住自己的小命。

"溫和奇點",可以看成是地球和月球之間的拉格朗日點那樣,是一個時空交錯的平衡點。

這樣的設定,《星際穿越》才有了故事展開的空間。

《星際穿越》裡,未來的人類在這個時空奇點放置了一個超立方體,男主人公掉進去以後遇到了這個超立方體。這個超立方體連接著很多細細的線,這些線就是所謂的世界線。

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超立方體連接著世界線

電影裡的世界線只是用一種影視化表現手法。真實的世界線,是在閔氏空間中記錄的每一個粒子的歷史瞬時存在連接成的線。

主人公通過撥動世界線的方法向自己的女兒傳遞信息。這也是影視中的一種比喻手法,實際上是不能用手直接去撥動這些線。任何想觸動世界線的努力都會引起歷史的完全改變。

影視中的主人公是通過進入更高維度,返回過去。更高維的空間,現在還沒有實驗證據。

但是,出現“更高維度”是唯一不破壞相對論又能超越時空的方法。可能所有人都期待這一刻。

撥動世界線和返回高維空間,都是科幻故事裡幻的部分,這是以故事展開的前提存在的。

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人類突破大過濾器,建設的未來太空城

《星際穿越》裡第1個破壞科學規律的bug,本來可以避免。

主人公去的那個黑洞太小了。黑洞的質量是1億個太陽,黑洞直徑是3億公里,相當於1.95個天文單位。視界表面的重力加速度高達15500g,會把人撕碎的。

可供安全接近的黑洞,尺寸要達到0.94光年以上,質量要在15,000億個太陽。

科幻迷們要牢記:黑洞越大越安全。15,000億個太陽的黑洞,世界表面的重力加速度剛好是與地表相當,是一個g。

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停泊在10萬光年巨型黑洞視界表面的外星飛船

星際穿越裡的第2個bug,在影片中一開頭出現在木星附近的蟲洞太小了。

在大自然中蟲洞是不存在的,不可能維持這樣穩定的結構。這是科幻中"幻"的那一部分,也是故事展開的前提。

但是,如果存在可供安全穿越的蟲洞,直徑也要至少在0.94光年以上。這個本來也是可以避免的。按照小編的觀點,蟲洞最好有10光年,把整個太陽系都包住,把太陽系放在時空鞍點。

總的來說,《星際穿越》是一部具有深厚的理論背景,BUG點比較少的科幻片。

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蟲洞是明亮的,因為會匯聚周邊的星光

作者特別提示:

關於黑洞的所有理論研究,都是圍繞著廣義相對論場方程的解進行的。所有和黑洞相關的科幻作品,都是廣義相對論光環下的衍生物。

到目前為止,廣義相對論場方程接受了各種極其嚴苛的檢驗,證明了其無比的計算精度。這是人類目前最偉大和最堅不可摧的科學理論。

再一次紀念偉大的愛因斯坦。

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卡爾波普爾的思想來自愛因斯坦

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