火星軍情局
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列印日期:2018/08/18
看不懂《星際效應》?讓我好好解釋...
2014/11/12 17:09:57


你看不懂《星際效應》?不要氣餒,這不是你一個人的問題。我在米國看這部電影時,後排來自某人民共和國的觀眾竟大叫「怎麼啦?」、「太玄了唄!」...。不懂沒關係,居然還大聲宣布又妨礙他人,那才丟臉。


別怕,這篇文章讓你知道電影背後科學的來龍去脈。《星際效應》與一般的科幻電影不同,原始故事的主軸是建立在當代蟲洞大師,加州理工學院的索恩教授(Kip Thorne)的構想之下,製作群願意把劇情限制在真實科學的範圍裡。請注意,下面是重雷區,如果你不想知道劇情就請看另一篇文章:一起跳進《星際效應》裡的「蟲洞」,看完電影後歡迎回來。




Endurance永續號太空船


星際探險的母船,其實就是一個小型太空站,利用每分鐘旋轉5.6次產生的離心力來模擬地球的重力。男主角庫柏(馬修麥康納)和女主角艾美莉亞(安海瑟薇)另外兩位太空人乘著它航向另一個銀河系。下面是借來的圖片:



 (左)Endurance太空船的結構;(右)與太空梭的實比例比較。(圖片來源:Space.com)



謎樣的「巨人」黑洞


「黑洞」是時空結構中重力超強的天體,連光線也無法從它逃脫,宇宙中處處可見。「蟲洞」是利用黑洞的引力突破三度空間,連接兩地的捷徑,理論上可能存在但尚未被發現。《星際效應》裡的這一組太空人就是利用土星附近2公里寬的蟲洞入口,連接到數百億光年外的一個叫做「巨人」的巨大黑洞。根據設定這個黑洞參數的加州理工學院的索恩教授(Kip Thorne)所寫的《星際效應的科學》一書,這個「巨人」黑洞是一個超重黑洞(Supermassive black hole),質量是太陽的一億倍,外圍並以光速的99.8%的高速不斷旋轉。




一般所說的黑洞是大型恆星燃料用盡後塌縮而成的,多半有數個到數十個太陽的質量;超重黑洞的成因還不太清楚,因為沒有質量這麼大的恆星,比較有可能是由大爆炸的壓力造成的「太初黑洞」演化來的。「巨人」黑洞有好幾顆行星環繞它,有三顆還有可能適合人類居住(在它的「適居帶」中),電影中的太空人計畫一一探訪他們。





一日如千年


太空船造訪的第一顆行星(Miller's Planet)上的一小時相當於地球上的7年。男女主角僅僅短暫造訪,回到母船後發現留守母船上的太空人已經變老,男主角在地球上的兒女早已長大成人,自己也忽然升級為阿公了。


略懂相對論或是愛看科幻小說的人大概都知道,飛行速度接近光速的太空船上的時間會變慢,這是因速度造成的「時間膨脹」(Time dilation)。其實強大的重力也會造成時間膨脹,這一顆行星要有這麼強力的時間膨脹,必須要離黑洞非常近,甚至與有去無回的邊界「事件視界」(event horizon)相去不遠。為了產生足夠的離心力,這顆行星必須以55%光速繞著黑洞公轉,才能不被吸進去。母船的時間與地球同步,因此一定和黑洞有相當距離,但它的速度也需高達光速的三分之一。



那一顆行星被深度不及膝的海水覆蓋,卻有好幾公里高的巨浪,就是受到黑洞引力造成的超大潮汐。但是有的科學家認為距離黑洞這麼近的行星早該被黑洞的引力撕碎了。




Plan A


老科學家布蘭德教授(米高肯恩)是這個探險任務的主持人,他定下兩個計劃。主要計劃(Plan A)是要太空人們找到適合居住的星球,他同時會努力解出能夠操控重力的物理理論,以此建造龐大的太空船好把人類移民過去。他其實早就知道除非能探知黑洞「事件視界」裡面的情景,否則不可能找到重力的秘密。但是理論上「事件視界」是個只進不出的界線,沒人能活著進去,也沒有訊號出得來,如此等於判定地球上人類的死刑,至此電影蒙上一片絕望的迷霧。



庫柏長大後的女兒(潔西卡崔絲坦)變成科學家,有一幕她在黑板上推導公式,黑板上的數學式子是由現實世界裡真正蟲洞科學家索恩寫的,上面的“G”是萬有引力常數,這本來應該是一個放諸宇宙而皆準的固定數字,但是如果有先進的辦法改變這個數字,太空旅行就會簡單得多了。

的確,當前物理界最大的問題是巨觀的重力和微觀的量子物理一直處不好,電影裡面隱喻整合重力與量子物理的關鍵在於多維時空體系,而這樣的體系只存在於黑洞內部。




Plan B


老科學家布蘭德的次要計劃(Plan B)是讓太空船帶著許多凍結的人類的受精卵到其他的星球,建立殖民地以延續人類香火。正如同電影最後所描述的,艾美莉亞在第三顆行星(Edmunds' planet)上面建立了營地。好傢伙,我照顧一個baby就要哭了,她一個人要養幾千個!



早期的科學家認為只要把一男一女送上別的星球,就可以如同亞當夏娃一樣繁殖下去。問題是星際旅行路途遙遙,那亞當夏娃活不了這麼久,而且未來近親通婚會導致許多疾病。近年開始流行的星際移民理論是由機器人帶著「種籽」到別的星球,到達目的地再「播種」讓種子發芽。當然,人類的種子就是受精卵(也可以是精子卵子、或早期胚胎)。為了避免近親通婚,還必須要帶很多受精卵去。有人計算過,需要有上萬人才能建立健康的人類殖民地。



健康族群的必要條件是多元的遺傳因子,若是人口不夠多,遺傳的多元性就會一代一代的降低,唯有當人口超過一萬之後才能維持多元性。(圖片來源:Cameron Smith thru Popular Mechanics)



為什麼庫柏飛進黑洞卻沒死


大家都聽說掉入黑洞的太空人都會被強大的重力弄得粉身碎骨,更可怕的是因為一般的黑洞體積小但力量大,掉入黑洞的太空人會被擠壓成細細的麵條,為此英文裡有個新字,叫做"Spaghettification",中文或可翻成「麵條化」。不用說,那太空人早就死了;但是為什麼電影裡的庫柏卻不會死呢?



太空人接近一般的小型黑洞會變成「人肉麵條」而死。(圖片來源:Science Chamber of Horrors)

因為這個巨人黑洞不是普通的黑洞,而是超大型的超重黑洞!因它的體積很大,上面的情形對它不適用。另一方面,可以把古早的黑膠唱片比擬為2D的黑洞,二維世界的人不能從圓周鑽到中心,三度空間的我們卻可輕易地從摸到中心;同樣的,太空人也可以從第四度空間進入黑洞裡。




庫柏在黑洞裡遇到什麼


這個黑洞還有一個特點:它是高速旋轉的黑洞。一般靜止黑洞的奇點(Sigularity,時空曲率無限大的地方)是黑洞中央的一個點,但是旋轉黑洞的奇點卻是一個環。在數學上來說,這個環上的時間可能是封閉的圈,不是單行道的直線,意味者所有的時間在這個環上都同時存在,當一個人順著這個環移動時,就可遊歷不同的時間。換句話說,這是個時光機器。



霍金和G. Ellis合著的教科書《The Large Scale Structure of Space-Time》的插圖,說明高速旋轉黑洞的時空結構,其中的環狀奇點可以映射到另一個環狀結構,或可解釋庫柏在黑洞裡的經歷和他如何離開。

庫柏在黑洞中的巨大結構是一個「四維超正方體」(2D的正方叫“正方形”,3D正方叫“正方體”,4D的叫四維超正方體),讓他飄浮在女兒房間的不同時間裡。電影裡沒有明說,但是它應該是未來人類所建造的,代表很遠未來的人類文明已經可以操控黑洞。



四維超正方體在三維空間不同方向的透視投影,看著看著我頭昏了。(圖片來源:維基百科)

庫柏發現他可以用多出來的空間軸傳遞重力,他就藉著重力傳遞信號給處在不同時間裡的科學家女兒,藉著撥動女兒手錶的秒針(還好她沒有用Apple Watch),讓她解出老科學家解不出的重力謎題,使人類可以大規模的移民太空。可能是因為黑洞的時間膨脹,當他離開黑洞時,又過了67年,人類已經在大型太空站裡過著幸福快樂的生活,女兒卻已經垂垂老矣。蝦米?還是不知道最後的結局在說什麼碗糕嗎?還好,我已經幫你想好了,請看《星際效應》的最後結局是...




這樣的事可能發生嗎


當然可能,我親眼看見的,還花了我十五塊美金電影票!


即使有科學根據,電影還是電影。宇宙中可能根本沒有天然的蟲洞;就算有也未必運氣這麼好,入口就放在地球家門口。真的想到太陽系外面觀光嗎?請看《星際效應》式的太空之旅可能成真嗎




黑洞附近適合居住嗎


即使真的有像電影中的蟲洞,讓地球人抄捷徑走訪黑洞附近的星系,那裡也不會如同電影所述,可以找到適合人居住的行星。黑洞周圍高熱氣體會發出高能量的X光和輻射線,足夠把附近方圓數光年的生物殺光光、有機分子打得稀巴爛,是個連外星人也不下蛋的地方。


但是如果所謂的外星人不是生物呢?比如說,類似變形金剛之類的智慧機器?那情形就完全不同了。機器雖然也會被輻射線傷害,但畢竟不像生物體這麼脆弱,因此可以待得下去。更重要的是,一個旋轉的大型黑洞是宇宙中難得的能量來源,遠比一般恆星的能源大,只要他們能掌握到萃取黑洞能源的技術,將可以輕易的超過駕馭一顆恆星能量的卡爾達肖夫指數(Kardashev Scale)第二級。若能利用黑洞掌控蟲洞(如果蟲洞真的可以存在),則可輕易向第三級(駕馭一個銀河系能量)邁進,在宇宙中建立複雜的蟲洞捷運網路。這麼好的地段,只要敢住下去,那可是宇宙地緣政治的兵家必爭之地。




被劇情搞得頭昏腦脹嗎?


最後再借用別人畫好的這張圖給看不懂劇情流程的人,點下去能放大。有網友提醒:圖左邊像黑色沙漏的應該是蟲洞(Wormhole),不是黑洞(Black Hole)。




想更深入了解嗎?不妨參考索恩教授所寫的《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像


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參考資料




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