孟繁磊

2019年4月10日，一張僅有十個(gè)像素大小的照片吸引了全世界的目光，這是人類(lèi)歷史上第一次拍攝到的黑洞照片，它不僅直接幫助我們確認(rèn)了黑洞的存在，而且也再一次驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦相對(duì)論的正確性。

在這張照片問(wèn)世之前，各式各樣的黑洞圖片充斥在我們的生活中，實(shí)際上，它們是人們對(duì)黑洞的遐想與藝術(shù)加工。而電影《星際穿越》中的黑洞，除了必要的影視藝術(shù)加工外，最大程度上模擬還原了真實(shí)的黑洞。導(dǎo)演諾蘭特別邀請(qǐng)了物理學(xué)家基普·索恩擔(dān)任科學(xué)顧問(wèn)。作為黑洞和廣義相對(duì)論領(lǐng)域最杰出的物理學(xué)家之一，基普·索恩曾在2017年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

影片從一開(kāi)始就將科學(xué)概念植根在電影的構(gòu)架中，這也是基普·索恩最看重的地方。《星際穿越》里沒(méi)有任何東西違背已經(jīng)確立的物理定律，即便是影片中的一些推測(cè)，看似瘋狂，其實(shí)也都源于科學(xué)，而非來(lái)自編劇的幻想。因此我們可以在整部影片中，看到大量當(dāng)時(shí)極為前沿的科學(xué)觀念與場(chǎng)景，比如人類(lèi)并沒(méi)有去過(guò)的黑洞或見(jiàn)識(shí)過(guò)的五維空間，電影卻將它們表現(xiàn)了出來(lái)。

作為諾蘭的第二部科幻電影，《星際穿越》在拍攝時(shí)采用了70毫米的IMAX膠片。尤其是在電影的后半段，利用超大膠片表現(xiàn)宇宙的壯闊，帶來(lái)的觀影體驗(yàn)可謂無(wú)與倫比。在拍攝過(guò)程中也極少使用綠幕與CG，而盡可能采用精細(xì)的模型與場(chǎng)景實(shí)拍。其中庫(kù)珀在玉米地里追逐無(wú)人機(jī)的畫(huà)面，為了追求拍攝的真實(shí)感，諾蘭竟然真的在加拿大種植了500英畝的玉米。

影片中最令人難忘的一幕莫過(guò)于黑洞——卡岡圖雅的出現(xiàn)，它是一個(gè)帶有吸積盤(pán)的超大質(zhì)量克爾黑洞，具有1億倍太陽(yáng)的質(zhì)量?？▽鶊D雅是根據(jù)基普·索恩提供的計(jì)算公式和結(jié)果數(shù)據(jù)建模渲染制作而成的。特效團(tuán)隊(duì)參考基普·索恩的公式以及黑洞數(shù)學(xué)模型，編寫(xiě)了一個(gè)全新的用于黑洞圖像渲染的“彎曲光線渲染器”。這也是第一個(gè)符合廣義相對(duì)論的渲染器。

在卡岡圖雅的渲染過(guò)程中，“引力透鏡”這種愛(ài)因斯坦效應(yīng)導(dǎo)致的小小彎曲，會(huì)讓計(jì)算變得非常繁重。因此卡岡圖雅是靠30名研究人員，耗時(shí)1年，用數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行精確模擬，才讓我們能看到震撼的一幕。在當(dāng)時(shí)，卡岡圖雅被認(rèn)為是最符合物理原理的黑洞景象。

黑洞和蟲(chóng)洞

首先需要了解，黑洞不是“洞”，它是存在于宇宙空間的一種天體，因?yàn)楹诙吹囊O其強(qiáng)大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。黑洞的中心點(diǎn)為奇點(diǎn)，而外部的視界作為一個(gè)邊界，在這個(gè)邊界上，逃逸速度等于光速，只要踏過(guò)視界就再也不可能出來(lái)，因?yàn)槔碚撋喜粫?huì)有超越光速的速度。

黑洞不會(huì)發(fā)光，但當(dāng)宇宙中的氣體和塵埃被黑洞引力捕獲后，除了部分被吸入黑洞外，其他剩余物質(zhì)會(huì)圍繞黑洞進(jìn)行公轉(zhuǎn)，分子間產(chǎn)生劇烈摩擦，釋放出熱量和電磁波，形成絢爛宏偉的吸積盤(pán)。

很多人會(huì)下意識(shí)地將黑洞與蟲(chóng)洞混為一談，但兩者完全不同。目前黑洞的存在已毋庸置疑，而蟲(chóng)洞屬于時(shí)空彎曲的一種形式，到目前為止，物理學(xué)家們只能通過(guò)廣義相對(duì)論對(duì)它進(jìn)行論證，并沒(méi)有像黑洞那樣有足夠多的證據(jù)支撐它的存在。由于黑洞最初也是由廣義相對(duì)論進(jìn)行推算得出的，因此人們相信蟲(chóng)洞存在的可能性也極大。

其實(shí)按照我們所接觸的物理知識(shí)，黑洞與蟲(chóng)洞都應(yīng)該是無(wú)法被看見(jiàn)的，而電影中的卡岡圖雅可以被看見(jiàn)，除了必要的藝術(shù)加工外，作為《星際穿越》的首席科學(xué)顧問(wèn)基普·索恩，在影片上映不久還發(fā)表了關(guān)于“黑洞可視化”與“蟲(chóng)洞可視化”的兩篇論文進(jìn)行闡述。

引力與時(shí)間

電影《星際穿越》多次涉及引力與時(shí)間的關(guān)系，比如在探索完第一個(gè)星球返回后，眾人驚訝地發(fā)現(xiàn)時(shí)間竟然已經(jīng)過(guò)去了20年。在廣義相對(duì)論中，引力場(chǎng)會(huì)影響時(shí)間流速，引力越大，時(shí)間流速就越慢。而在現(xiàn)實(shí)中，原子鐘在衛(wèi)星上和在地面上走時(shí)不同，因?yàn)樾l(wèi)星受到地球引力小于地面，走時(shí)略快，因此需要計(jì)算機(jī)不斷地進(jìn)行調(diào)校。

同理《星際穿越》中的水行星距離卡岡圖雅很近，受到的黑洞引力場(chǎng)較大，再加上星球本身的重力又是地球的1.3倍，所以水行星和地球的時(shí)間流逝速率差別巨大。我們之所以感覺(jué)不出來(lái)，是因?yàn)楫?dāng)我們處于相對(duì)于地球上更彎曲的時(shí)空中時(shí)，時(shí)間流速變慢，細(xì)胞生長(zhǎng)與死亡周期變慢，神經(jīng)系統(tǒng)變得遲緩，導(dǎo)致我們察覺(jué)不到異樣。

引力彈弓

隨著電影《流浪地球》的熱映，引力彈弓也逐漸被大家所熟知。影片中，地球借助木星的引力彈弓脫離太陽(yáng)系，而在《星際穿越》中，為節(jié)省燃料，主角同樣利用黑洞的引力彈弓效應(yīng)，使飛船前往第三顆行星。

其實(shí)引力彈弓并不神奇，它不過(guò)是一種常用的飛行器加速方法，航天器從一個(gè)天體的公轉(zhuǎn)方向的反面進(jìn)行所謂的“包抄“時(shí)，就會(huì)因天體的引力而加速，如果從公轉(zhuǎn)方向的正面經(jīng)過(guò)，就會(huì)因天體的引力而減速。其中由美國(guó)宇航局研制的無(wú)人外太陽(yáng)系空間探測(cè)器旅行者1號(hào)經(jīng)過(guò)木星、土星的加速度后飛出太陽(yáng)系，旅行者2號(hào)則是經(jīng)過(guò)木星、土星、天王星、海王星的加速，才最終脫離太陽(yáng)系。

然而在《星際穿越》中，飛船并未脫離黑洞的引力范圍，因此導(dǎo)演在這里引入了“彭羅斯機(jī)制”。首先，卡岡圖雅屬于典型的克爾黑洞，在視界外有一層空間叫做能層，飛船可以利用拋棄自重的方法將部分物質(zhì)拋離，用黑洞的角動(dòng)量換取剩余部分的引力加速動(dòng)量，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“彭羅斯機(jī)制”。因此大家可以看到，影片中母船在黑洞附近把兩艘小飛船丟進(jìn)黑洞，從而可以獲得更大能量。影片中將之稱(chēng)為“彈弓效應(yīng)”并不完全正確，因?yàn)橥ǔＲ椆?yīng)指的是單純利用引力加速。

如果掉入黑洞會(huì)怎么樣

《星際穿越》中，男主庫(kù)珀選擇落入卡岡圖雅，以換取母艦加速，而自己穿越視界后進(jìn)入了五維空間，這里主要是影片本身的情節(jié)和藝術(shù)需要。而實(shí)際上，如果你一頭扎進(jìn)黑洞，并不會(huì)出現(xiàn)在高緯度空間，你會(huì)被拉力從頭拉到腳，同時(shí)會(huì)受到潮汐力的擠壓，漸漸被黑洞拉成一根面條。

我們目前已知的物理定律，都不適用于黑洞中心，物理學(xué)家們?nèi)栽谘芯科渲邪l(fā)生的過(guò)程。電影《星際穿越》不僅涉及到很多基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)，還囊括了不少當(dāng)時(shí)最前沿的物理學(xué)知識(shí)，再加上一定的合理推測(cè)，使整部影片盡可能與科學(xué)保持一致，在理論與現(xiàn)實(shí)的中間區(qū)域盡可能地發(fā)掘，將宇宙充分地展現(xiàn)給觀眾們。