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看《星際穿越》科學顧問如何回應科學吐槽
看《星際穿越》科學顧問如何回應科學吐槽
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《星際穿越》中永恒號即將進入蟲洞的場景。圖片來源:華納兄弟。

  電影《星際穿越》上映后,不僅在觀眾中引發了黑洞蟲洞科普熱,也在科學圈內引發了吐槽熱——果殼網“科學人”就匯總過不少科學家的吐槽(詳見:科學圈怎么吐槽《星際穿越》?)。這些槽點真是影片在科學設定上出現了 bug 嗎?

  事實上,在電影正式上映的同時,該片科學顧問兼制片人、美國加州理工大學的理論物理學家基普·索恩(Kip Thorne)也同步出版了一本新書,名為《〈星際穿越〉的科學》(The Science of Interstellar)。在這本書里,索恩透露了許多電影中沒有明確說明的科學設定,恰好能夠回應人們吐出的不少槽點。


基普·索恩的新書《〈星際穿越〉的科學》,詳細介紹了這部影片的科學設定。圖片來源:mshcdn.com

  問題:“卡岡圖雅”自轉到底有多快?

  旋轉黑洞會導致很復雜的星象場,也會導致黑洞本身和吸積盤左右看起來不對稱。

  如果按照導演諾蘭的要求,米勒行星上的 1 個小時等于地球上的 7 年,那么“卡岡圖雅”的自轉幾乎需要達到黑洞的最大可能自轉(僅比最大可能自轉慢 100 萬億分之一)。索恩在科學設定中使用的都是這樣的自轉速度。

  然而諾蘭對廣大電影觀眾是很負責任的,為了減少這種不對稱和復雜的背景帶來的困惑,他把卡岡圖雅的自轉降到了最大可能自轉的 60%。

  補充說明:克爾黑洞的自轉受到廣義相對論的限制,如果旋轉再快的話,裸奇點就會出現,這在目前的大多數理論中不被允許。無論運動多快的物質進入到黑洞,都不可能再增加黑洞的自轉。高速旋轉的極端克爾黑洞周圍會看到很多復雜的現象。

  問題:這些行星的能量來源是什么?

這些行星從哪里得到熱量和光線啊?好像沒有恒星不行吧。熱量肯定不是來自黑洞本身的,因為接下來庫帕(無可避免地)要下到黑洞里面去,他也沒被烤熟。所以這些行星明明附近沒有熱源,不知怎么的卻適宜居住。

—— 菲爾·普萊特(Phil Plait),天文學家,著名天文博客“糟糕天文學”博主

  能量的來源,就是電影中“卡岡圖雅”周圍那些發光的東西,也被稱為吸積盤。這是一個非常非常薄的盤,環繞黑洞一周。吸積盤在引力的吸引下圍繞黑洞旋轉,由于靠近黑洞的部分和遠離黑洞的部分轉動速度不一樣,物質之間存在“摩擦”,因而發光發熱,于是引力能量就通過這種輻射的方式被釋放出來。能量釋放的過程,吸積盤內的磁場也起了重要作用。

  問題:“卡岡圖雅”吸積盤里的物質是從哪里來的?

  “卡岡圖雅”的吸積盤是它撕掉一顆紅巨星之后捕獲的。如果一顆恒星不小心太過靠近黑洞,它就有可能被潮汐力徹底撕碎。一顆幾乎徑直沖向“卡岡圖雅”的紅巨星一旦開始受到“卡岡圖雅”的影響,24 小時之后就已經把持不住,被撕碎了。


按照設定,“卡岡圖雅”周邊的吸積盤,是大黑洞撕掉了一顆紅巨星之后捕獲的。不過這張示意圖中的黑洞,就遠沒有電影《星際穿越》里那么真實了。圖片來源:huffingtonpost.com

  問題:為什么靠近黑洞的人沒有被吸積盤的輻射殺死?

黑洞的視覺效果呈現—— 一團發光物質圍繞著它,并逐漸被引力吞掉——是相當合理的。但是如果你進入了這個區域,那你要么會被灼熱的伽馬輻射殺死,要么會被引力撕開。

—— 羅伯托·特羅塔(Roberto Trotta),天體物理學家,英國倫敦帝國學院高級講師

  “卡岡圖雅”吸積盤的溫度只有幾千度,與大多數黑洞吸積盤不同。而太陽的表面溫度也不過 5500 ℃,太陽光中高能的 X 射線、伽馬射線很少,對地球上的我們無害。同樣,溫度只有幾千度的吸積盤,對“卡岡圖雅”的 3 顆行星是無害的。

  補充說明:吸積盤的溫度與吸積物質的多少等因素相關,單位時間內吸積的物質越多,吸積盤的溫度就越高。按照設定,“卡岡圖雅”已經很久沒有吃到東西了,餓到了極度“貧血”的地步,所以吸積盤的溫度就降下來了。

  問題:為什么電影中的黑洞的吸積盤沒有相對論束流效應?

但是他們好像忽略了多普勒效應和相對論性射束效應。吸積盤快速環繞著黑洞旋轉,其中總會有些面向觀察者飛來、另一些遠離觀察者而去,飛來的那些物質看起來應該更藍也更亮才對。

—— 羅伯特·奈耶(Robert Naeye),天文學家,《天空和望遠鏡》雜志總編

  旋轉黑洞的吸積盤確實會導致一側更亮且呈現藍色,另一側要暗弱而且呈現暗紅,但是由于會導致廣大電影觀眾一頭霧水,視覺特效小組的尤金妮婭·馮滕澤爾曼(Eugénie von Tunzelmann)忽略了這個效應。

  問題:距離卡岡圖雅最近的行星為什么沒有被撕碎?

其中一顆行星距離黑洞很近,以至于出現了強烈的時間扭曲,表面 1 小時等于地球上 7 年。我認識的好幾個天體物理學家都認為,在這個距離上,黑洞的潮汐力應該足以摧毀行星,但實際數學推演的結果還不清楚。他們還在計算這個問題。

—— 菲爾·普萊特(Phil Plait),天文學家,著名天文博客“糟糕天文學”博主

  這正是索恩要把“卡岡圖雅”設定為太陽質量的 1 億倍這么大的原因。黑洞的質量越大,半徑也就越大,而黑洞的半徑越大,距離視界相同距離的行星上受到的潮汐力就會越小。

  一旦設定了“卡岡圖雅”的質量,最靠近視界的穩定行星軌道就確定了。索恩通過計算得到,這種情況下,米勒行星雖然會受到巨大的潮汐力,形狀也被拉長,但依然能夠把持得住。如果“卡岡圖雅”的質量比這個小的話,米勒行星就會被徹底撕碎。

  補充說明:同樣的道理可以解釋,庫柏在落入“卡岡圖雅”視界的時候,為什么不會被引力潮汐力撕開。

  問題:米勒行星的滔天大浪是哪里來的?

船員在這顆行星表面發現了周期性的滔天巨浪,大浪并沒有得到解釋,想來是黑洞引發的潮汐力吧。但是距離黑洞這么近,這顆行星恐怕早該被潮汐鎖定了,一面永遠面向黑洞。這意味著會有巨大的海水鼓包出現在正對黑洞和背向黑洞的兩個方向,但是這倆鼓包相對行星表面是不會移動的,所以也不該有浪。

—— 菲爾·普萊特(Phil Plait),天文學家,著名天文博客“糟糕天文學”博主

  是的,米勒行星被潮汐鎖定了。倘若沒有被鎖定的話,由于巨大的潮汐力,這顆行星的巖石潮(地幔在巨大的潮汐力作用下發生變形)會將引力勢能轉換為熱,從而加熱行星,甚至使得地幔熔化。我們并沒有在電影中看到這樣的地獄般的場景,因為米勒行星確實是被潮汐鎖定了。


就算被潮汐鎖定,米勒行星上仍然會產生滔天巨浪。圖片來源:作者供圖

  大浪的產生,原因是米勒行星在搖擺。由于米勒行星左右搖擺,實際上潮汐力還會像地球上一樣起作用。索恩的計算結果是,如果米勒行星左右搖擺的周期是 1 小時,那么就會產生 1200 米高的巨浪。(編輯:Steed

  參考文獻

  1. 《〈星際穿越〉的科學》(The science of Interstellar),基普·索恩
2015-05-19 00:35

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