李新洲

《星際穿越》是一部由藝術(shù)家與科學(xué)家攜手創(chuàng)作的作品。這部電影不僅在藝術(shù)上堪稱典范，而且在科學(xué)上除了冰云層外也無瑕可謫。影片闡述了蟲洞與量子糾纏的概念。使廣大觀眾了解了在日常生活層面之上和之下的奇特真相。與大多數(shù)好萊塢大片不一樣的是，影片沒有描寫浪漫的愛情與性，而是用淡淡的手法述說出濃濃的人類之愛。

《星際穿越》是一部2014年發(fā)行的美國科幻大片，導(dǎo)演是克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan），編劇是諾蘭及其弟弟喬納森·諾蘭（Jonathan Nolan），著名引力學(xué)家索恩（Kip Thorne）為影片科學(xué)顧問。影片主要講述了庫珀（Cooper）及其女兒墨菲（Murphy）的故事。影片描繪了在不久的將來，由于地球氣候變化和病蟲害而造成的糧食危機(jī)迫使人類社會轉(zhuǎn)型為農(nóng)業(yè)社會。影片的主人公庫珀本為美國國家航空與航天局（NASA）的宇航員和工程師。也被迫成為了農(nóng)民。利用廣義相對論中的蟲洞概念，影片演繹了庫珀團(tuán)隊如何通過蟲洞，在未來、現(xiàn)在和過去中穿越，以及在星際旅行中，為尋找適合人類生存的星球而進(jìn)行的驚心動魄的探險。目前，關(guān)于影片科學(xué)性的評論如潮，年輕的理論物理學(xué)家像藝術(shù)家那樣，常常會急于對文藝作品，特別是科幻作品發(fā)表自己的見解。這些見解中不乏真知灼見，但泥沙俱下，魚龍混雜。

黑洞潮汐力問題

錢塘看罷早潮待晚潮。詩人說這是大海每日的二次呼吸，引力學(xué)家說這是源于月球引力吸引——一次是月球引力將海水吸引過去，另一次是在地球另一邊將地球吸了過去。就像月球的引力導(dǎo)致引起地球每日兩次潮汐的潮汐力那樣，任何引力場都將造成潮汐力。接下來的問題是，黑洞的引力很強(qiáng)，接近黑洞的人或物體是否會被黑洞的潮汐力撕得粉碎？答案是，可能會也可能不會。加爾岡蒂阿（Gargantua）黑洞的潮汐力便不會。廣義相對論的潮汐力是用潮汐力張量來描述的，潮汐力張量的9個分量就是曲率張量的分量R^k_OjO。簡單而言，只要黑洞的半徑相對于人或物體的尺寸足夠大，其潮汐力對人或物體的影響就是輕微的。

想象一位身高3000千米的巨人，正從外太空腳朝下地落向地球。當(dāng)巨人接近地球時，他就有了被潮汐力拉伸的感覺。之所以如此，不是因為落向地球的整體加速度，而是因為引力在空間上的不均勻性。這個可憐的巨人太高大了，其腳部比頭部離地球近很多以至于他的腳部受到的引力要比頭部受到的引力大得多。凈效應(yīng)就是產(chǎn)生了頭部和腳部正在往相反的方向被拉伸。如果巨人水平下落的話，他可能會避免被拉伸，因為頭和腳處在同樣的高度。然而當(dāng)他這樣做時，他感覺到了新的痛苦，被擠壓的痛苦代替了拉伸。

由引力的強(qiáng)度和方向變化而引起的扭轉(zhuǎn)力統(tǒng)稱為潮汐力，無論它們是由于月球、地球、太陽、黑洞，還是其他天體引起的。當(dāng)正常身高的人從跳水板上跳下時，能感受到潮汐力嗎？不能，這僅僅是因為人類相對于地球太小了，以至于在我們身體尺度上地球的引力場幾乎沒有變化。如果一個人朝向太陽質(zhì)量的黑洞（半徑大約是3千米）落下時，在離該黑洞150000千米處，潮汐力就會使他感到極為痛苦。當(dāng)他到達(dá)離黑洞數(shù)千米時，他就會變形，變得像擠出的牙膏一樣。

有兩種方法可以消除黑洞視界處的潮汐力影響：或者你自己變小些，或者黑洞變大些。細(xì)菌在一個具有太陽質(zhì)量的黑洞的視界處是不會感受到潮汐力的，而人類在具有一百萬倍太陽質(zhì)量的黑洞的視界處同樣如此。這看起來有些違反直覺，因為質(zhì)量大的黑洞周圍的引力作用會更強(qiáng)些。但是，這種思維方式忽略了一個重要的事實：大質(zhì)量黑洞的尺寸是如此之大，以至于它幾乎是平坦的。在巨型黑洞視界附近，引力場盡管非常強(qiáng)，卻幾乎是均勻的。影片中的加爾岡蒂阿黑洞就是一種巨型黑洞。加爾岡蒂阿是文藝復(fù)興時期法國著名諷刺小說《巨人傳》中的主角，現(xiàn)在人們常常借喻為龐然大物或巨人。

五維諾蘭問題

影片中出現(xiàn)了5維超立方體，普通人對此大惑不解，一些專家也發(fā)出詰難。這是一個什么樣的5維理論體系呢？是理論物理學(xué)研究中的高維時空理論嗎？早在1919年，愛因斯坦收到了一封來自柯尼斯堡大學(xué)的信。寫信者是位默默無聞的數(shù)學(xué)家，名叫卡魯扎（Theodor Kaluza）。他試圖通過引入第五維（即四個空間維和一個時間維）統(tǒng)一廣義相對論和電磁場理論。

從表面看來，電磁力和引力并沒有共同之處。電磁力為我們的機(jī)器提供動力，晚上為我們照明，使我們可以欣賞電視節(jié)目。相比之下，引力在更大的尺度上起著作用——駕馭行星運(yùn)動，阻止恒星爆炸。但是，卡魯扎在五維時空中得到了愛因斯坦在四維時空中對引力建立的方程以及電磁場方程?？斣奈寰S理論給出了15個場方程，而愛因斯坦的引力理論是10個場方程，麥克斯韋的電磁理論是4個場方程。

利用一個簡單的算式：15=10+4+1，卡魯扎將人類有史以來最偉大的兩個理論拼接起來，還剩余的1個場方程對應(yīng)于1個標(biāo)量粒子。這在當(dāng)時并未引起太多的注意，但在1980年代以后物理學(xué)家對它產(chǎn)生了興趣。

愛因斯坦被卡魯扎的信震驚了，在仔細(xì)思索達(dá)兩年之久以后，把它送往《普魯士科學(xué)院學(xué)報》發(fā)表，并冠以一個醒目的標(biāo)題“論物理學(xué)的統(tǒng)一問題”。1926年，克萊因（Oskar Klein）對這一理論做了幾點改進(jìn)。他找到了一條把卡魯扎的思想吸收進(jìn)量子理論的途徑。所以。這一理論被后人稱為“卡魯扎-克萊因理論”。在卡魯扎-克萊因理論中，空間是四維的，時空是五維的。而我們平常感覺的空間之所以表現(xiàn)為三維，則是由于四維中有一維是圓周的緣故。沿著圓周方向的宇宙周長只有幾個普朗克長度（Planck length，10^-35米數(shù)量級）。于是，一個試圖貫穿第四維空間的觀察者幾乎瞬間便回到了他的出發(fā)點。事實上，這樣一種嘗試是毫無意義的，因為組成觀察者的原子的尺度要比此圓周周長大得多。就這一點而論，第5維根本就是不可見的。然而正是借助于這個新的維數(shù)，卡魯扎一克萊因理論將引力和電磁力統(tǒng)一到了一起。

直到20世紀(jì)末，理論物理學(xué)家又引入了一類新的5維理論，它是卡魯扎-克萊因理論的一種變形，目前通稱為胚（brane）世界理論。在這樣的理論中，第5維不再限定在普朗克尺度，物理學(xué)家假定電磁力與核力被限定在4維時空中，而引力可以自由地進(jìn)入第5維。人們通過嵌入在3維空間中的2維曲面去了解什么是彎曲的。在3維足球場上的足球給出了2維球面的一個實例。但是對非專業(yè)人士來說，彎曲的4維時空是很難理解的。德國數(shù)學(xué)家黎曼（G.F.B.Riemann）發(fā)現(xiàn)古希臘幾何學(xué)僅僅是建立在直觀知識（源于日常生活經(jīng)驗的知識）的沙灘上，而不是建立在堅實的邏輯基礎(chǔ)之上。黎曼幾何學(xué)是用數(shù)學(xué)公式而不是用嵌入更高維空間的直觀方式來描述的。與直觀所見不同，在黎曼幾何學(xué)中，2維圓柱面是平坦的。事實上，從嚴(yán)密的、符合邏輯的算式可以計算出柱面曲率是零，球面曲率是常數(shù)。

影片中的5維超立方體顯然不是卡魯扎-克萊因理論或其變種。諾蘭為什么一定要引入這種表現(xiàn)形式的5維時空呢？諾蘭是位藝術(shù)家，藝術(shù)源于生活，藝術(shù)的表現(xiàn)手法不可能脫離日常生活經(jīng)驗而立足于抽象的數(shù)學(xué)公式。時間旅行是在4維時空中進(jìn)行的。不能用黎曼幾何中的數(shù)學(xué)公式演繹給廣大觀眾，諾蘭不得不采用古希臘幾何學(xué)家的手法，將4維時空嵌入到更高維時空——5維超立方體中去描述。所以，所謂的5維諾蘭問題是個偽命題，而不是一個科學(xué)問題。

諾蘭利用蟲洞與量子糾纏的概念。使廣大觀眾了解了在日常生活層面之上和之下的奇特真相。量子糾纏是指相互作用過的微觀粒子，即使相隔遙遠(yuǎn)。也會保持關(guān)聯(lián)。諾蘭表明人類也和量子一樣，親人們即使遠(yuǎn)隔萬千光年，仍然牽掛著對方的心。蟲洞將相隔遙遠(yuǎn)的兩塊空間聯(lián)系起來，使親人們能夠重逢。

薩杜恩暗喻問題

非常遺憾，許多科學(xué)影評將薩杜恩（Saturn）星系的加爾岡蒂阿黑洞說成土星附近有巨大黑洞。土星是太陽系的一顆行星，它的附近怎么會有大黑洞？如果土星附近有個大黑洞，不僅土星、地球，整個太陽系都難以呈顯現(xiàn)有的狀態(tài)。這與其說是個科學(xué)問題，還不如說是語言學(xué)問題。影片中，一位教授告訴庫珀，在薩杜恩星系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個蟲洞，并認(rèn)為這是外星文明欲拯救人類，希望人類移居的啟示。薩杜恩星系的蟲洞是指一條時空隧道，出口就在薩杜恩星系，入口在太陽系土星附近。依照人類現(xiàn)有的航天技術(shù)是難以直接飛達(dá)遙遠(yuǎn)的薩杜恩星系的，只有借助蟲洞，庫珀才能離開銀河系?？晒┑厍蛉祟愐凭拥暮阈窍到y(tǒng)便是遙遠(yuǎn)的以加爾岡蒂阿為中心的薩杜恩星系中的一員，而不是在土星附近。

薩杜恩是羅馬神話中的農(nóng)神，相當(dāng)于希臘神話中的克羅諾斯（Cronus）。農(nóng)神克羅諾斯是天神烏拉諾斯（Uranus）和地神蓋婭（Gaia）之子，篡奪了天神的王位，統(tǒng)治宇宙，后被他的兒子宙斯（Zeus）廢黜。在羅馬神話中，宙斯叫作尤皮特（Jupiter）。在天文學(xué)名詞中，烏拉諾斯為天王星、朱庇特為木星，而薩杜恩為土星。漢語用金、木、水、火、土命名行星，而英語用神話人物命名行星，正是語言上的偏差造成了土星附近有黑洞的錯誤理解。如果不用音譯，薩杜恩星系應(yīng)譯成農(nóng)神星系。農(nóng)神不是土星，此薩杜恩不是彼薩杜恩。地球出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)糧食危機(jī)，需移居到農(nóng)神星系才能拯救人類，只有薩杜恩（你理解成星系也罷，理解成農(nóng)神也可，但決不能理解為太陽系中的一顆行星）才能解決危機(jī)問題。

薩杜恩星系內(nèi)的蟲洞是劇情演繹的一個關(guān)鍵。蟲洞究竟是什么呢？愛因斯坦方程是10個二階聯(lián)立偏微分方程組，而蟲洞是其一個數(shù)學(xué)解。如果你承認(rèn)愛因斯坦方程是正確的，而且承認(rèn)數(shù)學(xué)推演也是精確的，那么你不得不承認(rèn)蟲洞可以存在。當(dāng)然，如果蟲洞確實存在，物理學(xué)家還得詳細(xì)分析通過它進(jìn)行時間旅行的種種條件。假如時間旅行能夠發(fā)生的話，人們必須禁止邏輯上不自洽性的產(chǎn)生。一個人不能在時間旅行中造成自己的先祖死亡，從而推斷出他自身存在的不可能性。人們不可以在讀了《紅樓夢》之后，回到過去遇到還沒有創(chuàng)作出《紅樓夢》的青年曹雪芹，為他提供寫作《紅樓夢》的構(gòu)想。他從曹雪芹的著作中讀到了《紅樓夢》，但曹雪芹卻是從他那兒學(xué)到《紅樓夢》的！這樣的“祖父悖論”必須被理論禁止。科幻作家尼文（Larry Niven）有一條定理：“如果所論述的宇宙容許時間旅行，并容許改變過去的可能性存在，那么在那個宇宙中將不會發(fā)明出時間機(jī)器?！?/p>

地外文明問題

影片中出現(xiàn)了地外文明，人們不禁要問：外星人是否存在？這一問題常常困擾著科學(xué)愛好者，合理的答案不是簡單的是或否。而是回答宇宙中出現(xiàn)智慧生命的概率究竟如何。

從前生命時期的化學(xué)反應(yīng)到單細(xì)胞生物誕生，再從原始生命進(jìn)化到多細(xì)胞生物，要經(jīng)歷漫長的進(jìn)化歷程。在生物進(jìn)化中，一系列不尋常的物種游過、飛過、爬過和走過。智慧生命是時間和機(jī)會的產(chǎn)物，如果讓進(jìn)化重新進(jìn)行，得到的結(jié)果必定不同。然而，智慧生命并非注定要產(chǎn)生，在宇宙中出現(xiàn)智慧生命的概率如何是一個令人感興趣的難題。

智慧生命往往會墮入將自身外延的情結(jié)。在四個多世紀(jì)前，布魯諾（Giordano Bruno）曾說過：“理性的智者相信，比地球還大的星球上一定有生物，這些生物與我們?nèi)祟惖厍蛏系奈锓N相似，甚至更加高級。”自布魯諾之后，許多學(xué)者持有同樣的信念。例如，在人類文明持續(xù)時間的討論中，狄拉克（P.A.M.Dirac）指出，更讓人喜愛的假設(shè)是“允許永恒生命存在的可能性”。作為狄拉克的堅定追隨者，物理學(xué)家戴森（F.J.Dyson）對生命在任意久遠(yuǎn)中持續(xù)存在進(jìn)行了詳細(xì)論述。在《全方位的無限》一書中，他寫道：“盡管我們對宇宙中生命密度的分布和潛力所知有限，但在展望未來時并不孤獨。讓想象力遨游于星際，我們能聽到永恒的昵語?！?/p>

從1960年代開始，人類對尋找地外文明一直抱有浮士德式的熱情。天體物理學(xué)家卡爾達(dá)紹夫（N.S.Kardeshev）建議，依照技術(shù)能力可以將地外文明分為三類：甲類——有能力建設(shè)星系，能利用我們已知的定律在整個觀測宇宙中傳遞信號，能利用與銀河系相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)行星系際交流；乙類——有能力建設(shè)太陽系，能利用與太陽相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)行星系交流：丙類——有能力建設(shè)行星，改變行星的環(huán)境，能利用與地球相當(dāng)?shù)哪芰窟M(jìn)行交流。依此分類，地球人類理所當(dāng)然地處于丙類文明。人類已經(jīng)多方位地改變了地球表面的地形，人類的活動已改變了地球的大氣，影響了地球的溫度。值得注意的是，探測一個非常遙遠(yuǎn)的甲類文明比一個相對鄰近的丙類文明容易，因為在理論上，地外文明產(chǎn)生的大量廢熱是一個可觀測的效應(yīng)。

一個逆向的問題是當(dāng)人類在探尋地外文明時，為什么處于更高階段的甲類和乙類文明不來尋找人類？一個可能的答案是人擇觀測者出現(xiàn)的概率是十分小的。普適原理假設(shè)我們這顆行星在宇宙中是典型的，從而人類或其他智慧生命是一種普遍現(xiàn)象。與此相反，在這個問題上人擇原理能做出兩種可能的預(yù)言。對于我們這顆行星來說，智慧生命（人類）出現(xiàn)的必要條件是太陽在到達(dá)它的主序終端（氫燃燒終結(jié)）之前，智慧生命的進(jìn)化歷程已經(jīng)完成。設(shè)恒星主序階段演化時間尺度為T_S，如果在小于T_S的時間尺度上，生命進(jìn)化是容易進(jìn)行的話，人擇原理也無法導(dǎo)出地外文明出現(xiàn)的概率極小這一結(jié)論。但是，如果在小于T_S的時間尺度上，生命進(jìn)化難以進(jìn)行，是偶然事件，則可導(dǎo)出智慧生命十分稀少的結(jié)論。更精確地說，如果生物進(jìn)化的特征時間尺度T_B>T_S，人擇原理的預(yù)言將與普適原理的預(yù)言不同。盡管不斷有報道稱發(fā)現(xiàn)了類地行星，但是T_S>T_S，地外文明存在的概率是很小的。外星人迷對此可能會十分失望，然而小概率不是零概率。外星人存在還是有很小可能性的。

索恩好賭問題

加州理工學(xué)院引力學(xué)家索恩擔(dān)任《星際穿越》科學(xué)顧問，并參與了劇本創(chuàng)作。他曾一度花費二周時間說服諾蘭放棄劇中超光速飛行的情節(jié)，也對如何描述蟲洞和黑洞做了貢獻(xiàn)。在影片設(shè)計蟲洞和旋轉(zhuǎn)黑洞時，索恩與視覺效果人員通力合作，由索恩提供計算方案，特技人員編寫軟件，設(shè)計出正確的引力模擬。正如他自己所說，他能夠容忍的最大藝術(shù)自由只限于某個星球上空的冰云層。

索恩是經(jīng)典名著《引力論》的三位作者之一，他在廣義相對論研究上有重要貢獻(xiàn)。曲折離奇、緊張刺激乃至不可思議的情節(jié)發(fā)展使科幻小說迷們廢寢忘食地閱讀科幻故事。然而又是什么力量促使引力學(xué)家對自己的奮斗目標(biāo)孜孜以求呢？霍金（Stephen Hawking）的導(dǎo)師夏默（Dennis W.Sciama）曾說這種驅(qū)動是一種形而上學(xué)的焦慮。黑洞與蟲洞似乎太瘋狂，太怪異，也太迷人，接近它的唯一途徑是想辦法認(rèn)識它。人類思想在這些研究上充分展示了神奇力量，在征途上前進(jìn)、往返、跳躍，最終在紛紜復(fù)雜中發(fā)現(xiàn)了引力相互作用的基本規(guī)律。

執(zhí)著、忘我是引力學(xué)家的一面，愛開玩笑和愛打賭又是他們的另一面。索恩便十分“嗜賭”，這在物理學(xué)界中傳為美談。

在歷史上關(guān)于黑洞的著名打賭已經(jīng)有五次，索恩全部都參加了。第一次是澤利多維奇（Yakov Zeldovich）與索恩打賭。如果物理定律的計算證明旋轉(zhuǎn)黑洞發(fā)生輻射，那么索恩給澤利多維奇一瓶白馬牌威士忌。反之，澤利多維奇給索恩一瓶喬治白蘭地。結(jié)果，索恩輸了。第二次是索恩和錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）關(guān)于旋轉(zhuǎn)黑洞的穩(wěn)定性打賭。這一次索恩贏了，錢德拉塞卡要為索恩訂《花花公子》雜志一年。索恩的母親和妹妹是女權(quán)主義者，于是索恩讓錢德拉塞卡訂購了《聽眾》雜志。第三次是1975年關(guān)于天蝎座X-1是否包含黑洞的打賭。霍金說，關(guān)于黑洞他做了很多研究，如果發(fā)現(xiàn)黑洞不存在，一切都將成為徒勞，但在這種情況下，他將得到贏得賭局的安慰——索恩將為他訂購4年的《私家偵探》雜志。后來，人們積累了越來越多對黑洞有利的觀測證據(jù)，霍金也只好認(rèn)輸，為索恩訂閱了1年的《閣樓》。據(jù)說這一次引來了索恩夫人的不滿。第四次發(fā)生在1991年，索恩、普雷斯基爾（John Preskill）與霍金就裸奇點是否存在打賭。霍金認(rèn)為奇點只存在于黑洞圍繞的時空奇點。1997年2月5日，霍金承認(rèn)，在特殊的情況下裸奇點是可以形成的，輸給了索恩和普雷斯基爾兩件可以用來“遮蔽裸體”的T恤衫，上面寫著“自然界憎恨裸奇點”。第五次，霍金、索恩與普雷斯基爾關(guān)于黑洞信息又進(jìn)行了打賭，賭注是一本棒球百科全書。2004年7月21日，霍金認(rèn)輸了，他說：“我在英國很難找到這樣一本書，只能用一本板球百科全書代替了?！壁A得了這次賭局的索恩與普雷斯基爾很高興，但與其他學(xué)者一樣，他們并不太理解霍金2004年演講的全部內(nèi)容。

就是這樣一位好賭的索恩，這一次把名聲賭在《星際穿越》上了。他又贏了——《星際穿越》放映后，索恩不再僅是一位引力學(xué)界的名人，也成了公眾的名人。

在《星際穿越》成功上映后，諾蘭謙卑地說：“對我來說，這部電影講述的是如何做父親以及離開孩子去工作有多難?！比欢?，這部影片已成為文化事件，它揭示了科學(xué)與信仰、科學(xué)與藝術(shù)以及科學(xué)與技術(shù)之間的共生關(guān)系。影片展示了人們總是因最新的科學(xué)進(jìn)步而轉(zhuǎn)變自己的世界觀。科學(xué)不僅僅是生產(chǎn)力，還為人類提供了精神力量。在牛頓之后，哲學(xué)家構(gòu)想出機(jī)械宇宙觀，個體被看成宇宙大機(jī)器的一個齒輪：在愛因斯坦之后的今天，相對論和量子論提供的模式也融入了哲學(xué)家對生命、人性以及社會的詮釋。《星際穿越》還給人們一個啟迪，只追求生產(chǎn)力的科研領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)是稱不上一個真正的科學(xué)機(jī)構(gòu)的，任何漠視最新科學(xué)理論進(jìn)展的民族必定是一個沒有出息的民族。

關(guān)鍵詞：黑洞潮汐力 蟲洞 索恩 薩杜恩