如何更快进行星际穿越？人类那些最具野心的外星人搜索活动|激光束|太阳帆|星际穿越_新浪科技_新浪网
如何更快进行星际穿越？人类那些最具野心的外星人搜索活动
　　这只“太空球”看起来就像在宇宙中穿行的迪斯科舞厅闪光球一样，探测器则被藏在其内部。当激光束击中它那薄薄的、镜子一般的外壳时，光束就会反弹回来，同时推动探测器前进。
以激光为动力、推动所谓的“纳米飞行器”在宇宙中穿行。
　　新浪科技讯 北京时间11月3日消息，据国外媒体报道，研究人员发现，迪斯科舞厅的闪光灯球也许将成为星际旅行的关键所在。目前该领域的大多数研究项目，如亿万富翁尤里·米尔纳(Yuri Milner)与史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)以及马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)共同开创的“突破摄星”项目，都把研究的重点放在了“光帆”上，希望能利用这种技术开展长距离飞行。
　　但研究人员指出，与光帆相比，球状结构的效率也许要高得多。按照该计划，微型探测器的飞行速度将达到光速的五分之一。这样一来，一枚星际探测器只需20年时间就能飞到距离我们最近的恒星了，并在到达之后给我们传回各种有意思的照片。要实现这一点，可以用地球上发出的高能激光束推动探测器前进，而如果探测器被做成球形，便能达到最高的效率。
　　“我研究了别人提出的光帆计划，发现这些方法实行起来都不稳定。”哈佛大学突破摄星项目的咨询委员会成员之一扎克利·曼彻斯特(Zachary Manchester)指出，“但我发现，如果把帆做成球形，就会很稳定了，而且外形也十分优雅。”这只“太空球”看起来就像在宇宙中穿行的迪斯科舞厅闪光球一样，探测器则被藏在其内部。当激光束击中它那薄薄的、镜子一般的外壳时，光束就会反弹回来，同时推动探测器前进。瞄准中心部位的激光束最弱，瞄准外缘部位的则最强。这样一来，如果探测器稍微偏离了轨道，激光束就会变强，使其稳定下来。
　　“我们对光帆靠激光推动时的稳定程度进行了分析，”研究人员在论文中写道，“这些帆是圆锥形的，并且采用了高斯激光束，但研究显示，它们总的来说都不太稳定。因此，我们提出了一种更稳定的光帆形状和光束模式。如果采用球形的外壳，我们便不需要进行实时反馈控制了。”该研究团队还开展了完整的三维光线追踪模拟，对他们的分析结果进行了验证。
　　不过他们也承认，这一方案同样存在一些问题。“这一方案耗资巨大，而且需要做大量研究，但我认为最终还是有可能实现的。”
进入轨道之后，这些微型飞船就会展开帆板，由地球上发射的激光束推动前进。
　　“地球是一个绝妙的地方，但它也许无法永世长存。”史蒂芬·霍金指出，“我们迟早要向外太空求援。在这段征程中，突破摄星项目就是令人激动的第一步。”
　　今年年初，史蒂芬·霍金与俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳以及马克·扎克伯格联手，共同开展迄今为止最具野心的外星人搜索活动。这项名叫“突破摄星”的项目价值1亿美元，主要任务是以激光为动力、推动所谓的“纳米飞行器”在宇宙中穿行。它们将用20年时间，飞向距地球4.37光年(约合40万亿公里)之外的半人马座阿尔法星恒星系，在那里寻找外星生命。
　　“历史上头一次，我们能做的不仅是抬头凝视夜空中的繁星，还能真正地触及到它们。”尤里·米尔纳说道。每一枚“星际帆船”上都将装有一台摄像机，以及一台内置GPS导航装备，用来在深空中寻找可能宜居的星球。“55年前的今天，尤里·加加林(Yuri Gagarin)成为了进入太空的第一人。而今天，我们即将进行下一次重大飞跃。”
　　“地球是一个绝妙的地方，但它也许无法永世长存。”史蒂芬·霍金指出，“我们迟早要向外太空求援。在这段征程中，突破摄星项目就是令人激动的第一步。”利用激光束、光帆和迄今为止重量最轻的航天器，只需要再过一代人的时间，我们便能开展一次飞往半人马座阿尔法星的任务了。”
　　这项价值1亿美元的研究项目计划使用光束推动超轻的纳米飞行器、使其以五分之一光速的速度飞行。该项目要想顺利开展，还需要对这一概念做出进一步确认。米尔纳指出，这些飞行器只需约20年时间便能抵达半人马座阿尔法星，还披露称马克·扎克伯格如今也加入了该项目之中。这些航天器将拍摄半人马座阿尔法星恒星系(距地球最近的恒星系)中的行星照片，并收集其它科学数据。据研究人员估计，我们很可能会在半人马座阿尔法星的三恒星系统的宜居带中找到类地行星。
　　“我们要为这次新的伟大飞跃尽全部力量，因为我们是人类，飞翔是我们的天性。”该项目将由NASA阿姆斯研究中心(Ames Research Center)的前任主管皮特·沃登(Pete Worden)领导，并由世界顶尖的科学家和工程师组成的委员会建言献策。“我们从东方号(前苏联制造的宇宙飞船)、旅行者号、阿波罗号和其它伟大任务中汲取了很多灵感。”沃登表示，“如今是时候开启星际旅行的新纪元了，但要想实现它，我们必须脚踏实地才行。”
　　半人马座阿尔法星恒星系距我们约4.37光年(约合40万亿公里)。就算是现在最快的太空飞船，也需要约3万年时间才能飞到那里。突破摄星项目希望弄清的是，如果把重量仅为数克重的迷你飞船连接在帆板上，然后用激光束来加速，能否把它们的飞行速度提高到上述速度的一千倍。而这也引起了硅谷对空间旅行的重视，并从21世纪之初，便对特定技术领域做了大量投资。
　　图为从一段视频中截取的静态图片，图中内容是一组相位阵列激光发射器，可以被用在突破摄星项目中。
　　图为从一段视频中截取的静态图片，图中内容是一组相位阵列激光发射器，可以被用在突破摄星项目中。
　　这些纳米飞船的重量可以用“克”来衡量，由“星芯”(Starchip)和“光帆”(Lightsail)两个主要部分组成。“星芯大约只有邮票那么大，不过要更厚一些。它可以进行大批量生产，造价和iPhone差不多。”米尔纳介绍。激光器由多个模块组成，大小可以进行调整。等组装完成、技术成熟之后，每次发射的成本就会降低到几十万美元。
　　不过，研究和设计工作预计要持续多年才能完成。这些工作完成之后，最终任务的预算也将与目前最大的科学试验预算相差无几。在他们提出的系统设计中，关键要素所需的技术要么已经问世、要么按照合理预测、即将被研发出来。他们设计的激光推进系统规模已经远远超出了目前所有的模拟任务。
　　该项目的未来还需要世界各国的广泛合作和大力支持。同时，飞船发射也需要获得所有相关政府和国际组织的批准。随着星际旅行所需的技术日益成熟，还将出现很多可能的情况，例如，据天文学家估计，半人马座阿尔法星系的宜居带中很可能存在类地行星；此外，许多地面上或太空中使用的科学设备正处于研发和改进之中，不久便能对附近恒星周围的行星展开辨析了。
　　一项与之独立的“突破倡议”项目(Breakthrough Initiative)将对上述项目中的一部分提供支持。突破摄星将设立研究补助项目，并吸引更多资金，为相关科学与工程研发项目提供支持。
　　在飞船上安装太阳帆、利用太阳风提供动力这一理念最早是由已逝的天体物理学家卡尔·萨根(Carl Sagan)于40年前提出的。他的理论指出，太阳帆可以让宇宙飞船的飞行速度远远超出利用传统燃料所能达到的速度，从而使行星际、甚至星际旅行变得更加可行。
　　该技术的最新版本包含四片由迈拉聚脂薄膜(mylar)制成的三角形帆板，组合成一块矩形。它可以把“立方星”微型卫星(cubesat)送入距地球地面800公里高的轨道。部署完成之后，该太阳帆的总面积将达到32平方米。
　　图为尤里·米尔纳与史蒂芬·霍金和弗里曼·戴森教授一起，展示“星芯”的原型产品，这艘迷你宇宙飞船将使星际旅行变为现实。
　　在飞船上安装太阳帆、利用太阳风提供动力这一理念最早是由已逝的天体物理学家卡尔·萨根(Carl Sagan)于40年前提出的。虽然尚未得到证实，但该项目很可能会采用行星协会组织研发的“光帆”技术(如图所示)。
　　美国行星协会组织近日发布了一段视频，记录了在帕萨迪纳黄道公司(Ecliptic Enterprises Corporation)开展的一次太阳帆部署测试。今年5月20号，“光帆1号”(LightSail 1)搭载联合发射联盟公司的Atlas V型火箭，从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空。它运载了三颗“立方星”卫星(一种发射成本相对较低的微型航天器)。
　　“光帆1号”的核心部位总重约10千克，高度和宽度分别只有30厘米和10厘米，和一块面包的大小差不多。而在它底部的四条边上，还有一块“折叠”起来的、巨大的太阳帆板。该帆板展开后面积约为32平方米，由一种名叫“迈拉”(Mylar)的高反射性材料制成。帆板厚度只有4.5微米，仅为垃圾袋厚度的四分之一。
　　当帆板展开之后，太阳发出的光子便会击中帆板，并推动它前进，就像地球上风推动船帆前进一样。光子产生的推力极为微弱，比把一张纸托在手掌上的力还要弱，但理论指出，这些力会逐渐累积起来，最终使飞船的速度达到很高的水平。
　　米尔纳已经在寻找地外智慧上花了数十年时间，而此次最新项目也是其中的一部分。他身价达29亿美元(约合195亿人民币)，此前就和霍金展开过合作。2015年7月，他们共同宣布了一项名叫“突破聆听”( Breakthrough Listen)的项目，计划通过该项目来寻找外星生命。
　　沃登指出，在不远的将来，突破聆听项目将能够观测到距地球25光年范围内的所有恒星。“在过去的五年间，我们已经发现了很多位于恒星宜居带中的行星。”突破倡议官网上这样写道。“根据已发现的宜居行星数量可以估算得出，光是银河系中的宜居行星就还有数十亿之多。而在宇宙的可见范围内，还有数千亿个不同的星系。但我们对地外生命仍然一无所知。我们真的是独一无二的吗？宇宙中是否还有别的智慧生命呢？”
　　“这是我们面临的最重要的问题之一，而只有科学才能给出答案。”(叶子)
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本片设定在若干年的未来，由于地球坏境的饿坏，人口数量开始急剧减少，粮食开始出现病死，短缺的现象，为了人类的未来，人类停止了对外探索，更多的人投入到农业种植当中（主要为玉米）。
&男主库伯是一位受过高等教育的工程师，但是由于宇航局解散，他做了一个农民。但是他的内心一直还是保持着一个想做宇航员的心。他的女儿墨菲多次向他反映自己的房间里面有一个幽灵，他自然不是很放在心上，但是为了女儿，他还是和女儿说要用科学的态度去记录怪异现象。直到某一天一场沙尘暴，由于墨菲忘记关上窗户，大量飞沙进入房间，这时候库伯发现地上的沙子居然有规则的排列起来，似乎在传达某种讯息，最后他破解了信息，带着女儿到了某个隐蔽起来的机构。
&原来该机构是已经被宣称解散的宇航局，他们被重新找回，并且打算进行一项拯救人类的计划《拉撒路行动》。原来若干年钱，地球周围开始发生奇怪的引力现象，科学家开始关注，最后在土星周围发现了一个虫洞，他们认为这个虫洞应该是地外文明创造的，是为了帮助人类，于是喊地外文明为“他们”。由于虫洞的存在，那些原本以人类现有科技完全无法抵达的星球现在可以到达了，但是由于对这些星球不了解，所以他们派出去12位先锋敢死队的科学家，去探索这些星球，并且发回来讯号，但是地球上资源已经太少了，没办法12位科学家去过的星球都去，最后他们选择了位于同一个星系的3位科学家的星球决定进行最后的确认。
&拯救人类的计划一共有2个：A计划，宇航局所在的地方也在进行一个超大空间站的制造，老教授布兰德有信心通过特殊的引力公式，把这个空间站发射上太空，来拯救在地球上的全人类。B计划，宇航局收集了大量的人类受孕胚胎，并且这次出发的飞船，会带着足够的资源，即使地球上的人类彻底灭绝，那么这批人类受孕胚胎就可以在新的星球上延续人类文明。
&库伯接受了去太空冒险的要求，但是墨菲没办法接受这件事情，墨菲甚至表示幽灵留下了信息："STAY"。库伯临走前希望可以劝说墨菲，甚至留下了一块表，但是墨菲太伤心了。最后库伯只能忍痛离开家里，墨菲也没能和父亲最后说上一声再见，随后火箭发生，离开地球。
在空间站里面，他们一共四个飞行员，两个机器人，塔斯（话特别多）和凯斯（话比较少）。众人进入虫洞之后，老教授的女儿，阿米莉亚通过虫洞，居然和某种看起来类似生命体的东西进行了一次接触，她兴奋的说是第一次握手。
穿越冲动之后，他们选择好了第一个星球，一个离黑洞非常近的星球，由于离黑洞太近，所以这个星球上的时间是扭曲的，他们为了不浪费太多的时间，决定速战速决，其中一位黑人宇航员留下研究黑洞。3位宇航员下去之后，发现这个星球上的陆地都被被覆盖了，虽然不是很浅，就在众人寻找先锋队的飞船的时候，库伯突然注意到远处的山根本不是山，而是超级巨浪，他立刻意识到这个星球不能居住，但是阿米莉亚坚持要回收资料，飞船被巨浪击中，一位宇航员牺牲。由于飞船进水，他们被暂时困在了星球上，而这一困，会让地球上的时间流失几十年。
&他们回到空间站上，发现黑人已经变老，原来时间已经过去了接近24年，2人立刻查看地球上家人发来的信息，库伯的儿子已经长大成人，并且有了第一位女儿，虽然女儿最后和爷爷都死去了，然后库伯收到了长大之后的墨菲的消息，原来墨菲已经长大到他的年纪，并且在与宇航局和老教授一起严重那个引力公式。
&由于空间站运行了24年，虽然机器人尽可能节省了资源，但是毕竟时间太久，众人已经无法把剩下两个星球都去一遍，要保留资源回地球。所以众人开始选择星球，阿米利亚坚持去一个星球，因为那个星球上的博士是她曾经的恋人，但是由于她在第一个星球上犯下的错误，最后还是决定去曼恩博士的星球，曼恩博士是这个计划的领导人之一，也是12位专家中最为优秀的一个。
&另外一边地球上，老教授即将死去，临死之前，他向墨菲坦白，自己欺骗了她，墨菲立刻意识到，原来根本没什么A计划，出发的这批宇航员，就是为了执行B计划的。墨菲不知道自己的父亲是否知情，瞬间有了一种被父亲抛弃的感觉。
众人来到曼恩博士的星球，发现这里非常冷，连云都冻住了。大家找到曼恩博士，他还活着。随后众人和曼恩博士进行交流，曼恩表示在目前的地表之下，还有一个地表，那里有适合人类居住的环境。同时，地球上墨菲发来的信息到达，库伯和阿米莉亚看到信息后都表示无法相信。曼恩表示他知道实情，老博士的方程式缺少了最致命的数据，就是量子数据，要获得这个数据，必须要进入黑洞中心，就目前的人类科技而言，根本不可能做到，所以A计划是不可能实施的，愤怒的库伯表示，要立刻回家和家人团聚，当然，走之前会保证这个星球上的运作正常。
&于是阿米莉亚和黑人开始着手搬运资源下来，开始培养人类胚胎的工作，曼恩博士则带领着库伯去下一层地表的入口，结果风云突变，曼恩居然对库伯进行了袭击，甚至不惜用自己的头盔撞毁库伯的头盔。库伯在垂死挣扎之际，找到了被曼恩扔掉的通讯器，联系阿米莉亚，阿米莉亚立刻上船前往救援库伯，另外一边黑人博士则在修理坏掉的机器人的时候被炸死。曼恩博士则开着非常开始登入空间站。获救的库伯和阿米莉亚两人赶过来，接到了大难不死的机器人塔斯，虽然立刻开始追赶曼恩。塔斯因为早就对曼恩有所怀疑，所以关掉了自动操作系统，无法完成对接工作的曼恩强行打开空间站舱门，结果由于气压不对等，空间站爆炸，孤注一掷的库伯在空间站高速旋转的情况下，强行完成对接，拯救了空间站。
由于空间站被毁，他们失去了不少的资源，但是人类胚胎还玩好的保存了下来。但是飞船燃料已经有些捉急了。库伯想出了一个计划，决定利用黑洞的引力，来达到第三个星球，当然，这个计划是会牺牲机器人塔斯的，机器人塔斯当然表示无所谓，并且表示，如果可能，就把黑洞中心的数据发出来。计划开始实施，塔斯的飞船被扔下，第一个进入黑洞，同时，库伯也让在空间站的机器人凯斯把自己的飞船也扔下，原来资源根本不够两个人在星球上生存，为了人类的未来，库伯选择牺牲自己。随后库伯的飞船也被吸入了黑洞。
&被吸入黑洞的库伯意外进入了一个多维度空间，在这里他看见了还年幼的女儿墨菲，他心中无比悔恨离开地球的决定，不停敲打书柜上的书，留下了“STAY”的信息，试图让自己留在地球上。这时候塔斯的信号突然传入进来，原来塔斯已经接触到了“他们”，五维生命，在和塔斯的交流中，库伯意识到，这些五维生命根本不是什么外星人，就是人类自己，“他们”制造这么一个多维度空间，就是为了向墨菲传达信息，让墨菲来拯救人类。于是他通过沙子，给自己传达了宇航局秘密基地的地址，最后通过塔斯传递过来的量子数据的莫尔斯代码，通过自己临走前留给墨菲的手表，传达给还在地球上的墨菲。
地球上的墨菲经历了和兄长一番争吵，和对幽灵的仔细回忆，终于意识到原来那个幽灵其实是自己的父亲，并且终于注意到那块手表所要传达的意思。通过最后的代码，她终于解开了老教授永远解不开的方程式。
&被困在多维空间的库伯，通过塔斯的联络确定了他传达的信息到位了。并且坚信，这些所谓的“他们”就是“我们”人类自己。最后，多维空间被关闭，五维生命把库伯送回去，回去的路上，他在另一个维度完成了与刚刚时间线上刚刚进入虫洞的阿米莉亚的握手。
&被送回去的库伯被人类发现，墨菲解开了方程式，空间站成功离开丢球，向着新星球前进，库伯终于也见到了自己的女儿，不过此时女儿已经100多岁高龄，而库伯还保持着自己离开地球时的样子。和墨菲说完再见之后，库伯再度启程，他要去寻找阿米莉亚，因为阿米莉亚还在那个新的星球上孤独的培养着新人类，她不知道地球上的人类已经获救。
附【问答】：
1：五维人类为什么要建造虫洞和最后的超正方体（前面提到的多维空间）来帮助人类？
既然他们也是人类，说明他们就是我们的后代，如果没有我们的发展，就不会有五维人类，这就有点像《终结者》的剧情了：康纳不派凯尔回到过去，就不会有康纳。就因为五维人类建造了虫洞和超正方体，人类文明才得以发展，并且发展出来五维人类。
2：为什么超正方体里面的房间是墨菲的，为什么库伯会进入最后的超正方体？
其实根据上一个问题，再加上影片一句话：他们创造这里不是为了改变历史。我们就可以知道，五维人类在研究自己的历史的时候，发现了墨菲库伯因为解开了方程式，让人类发展，于是他们知道是自己制造了虫洞和超正方体。其实这就是一个时间穿越的圈，五维人类其实说句历史和政治课上常说的，他们制造虫洞和超正方体，就是完成自己的历史使命。一切都是一个圈，少一块都不行。
3:阿米莉亚培养的新人类和空间站的人类最后会汇合吗？
答案是肯定的。阿米莉亚不知道地球上的人类获救，在她看来，地球上的人类会因为没办法获得黑洞数据，最后全部灭绝，片尾阿米莉亚那个表情其实是绝望的表情，她认为自己是最后的人类了。再换个说法，如果空间站人类不和新人类汇合，那么五维人类如何得知是墨菲拯救了全人类，他们制造超正方体的时候就不会把所谓的时间维度都集中在墨菲的房间。
这样我们还能获得一个隐藏线索，就是五维人类知道是墨菲拯救了世界，也知道是库伯传达的信息，但是他们并不知道墨菲到底是怎么知道量子数据的，也不知道库伯到底是什么时候传达给她的，所以他们把所有的时间维度都集中在墨菲的房间里面。
这也和片尾呼应，所有人都认为是墨菲自己一个人解开了方程式，拯救了人类，尽管她一直说是自己的父亲传递给她的，但是别人都不信。但是五维人类信了，所以他们把被吸入黑洞的库伯和塔斯全部救下，并且让塔斯传递数据给库伯，让库伯通过超正方体传递给墨菲。
4：塔斯最后被修复，为什么他没能提供更多的五维人类的科技文明给人类呢？
我们要知道一点，人类文明是慢慢发展的，有些理论即使现在别人给了人类，人类也无法理解。五维人类救下塔斯和库伯，并且传达量子数据给墨菲，只是为了拯救人类，其他的还是要靠人类自己发展。
【注】：为什么布兰德教授骗了大家几十年他早已经解出来的方程式。曼恩已经做了解释，这也是全片点题之处。&
　人类的的世界观还是不够宽广，宽广到能够放弃自己的亲人，爱人去拯救全世界，所以知道答案的人选择了欺骗。&
　但是，正因为有了爱的存在，甚至其早在人类之前早已存在。才让人类的星星之火可以得以延续。
因为爱，库伯对女儿的爱选择拯救人类，因为爱，艾米莉亚对父亲和男朋友的爱，选择拯救人类。因为爱，艾米莉亚选择不是回地球，而是去第三个星球找寻答案；因为爱。库伯放弃了生的权利，到黑洞的深处寻找人类存活的答案。因为爱，墨菲与库伯才建立多维度空间之间联系的桥梁。因为爱，库伯最终得以和墨菲相见；因为爱，库伯醒来后去寻找安妮：人类存活真正的希望之地。也正是
因为他们有了这种所谓意义上狭隘的爱才得以找到人类存活最终的答案。&
这也是全片要告诉我们的，没有爱，或者说其带有更加伟大的责任感为了人类的延续而奋斗的人，其太强的目的性而前行的人，最终不会是人类前进的方向。同去的两个没有任何亲人的科学家相继的死去，曼恩教授的挂掉，甚至是隐瞒了所有人的老教授的死去，都是答案。&
所以让各种方程式，各种理性的思维都去见鬼吧。人的感情，人类最真挚的那种所谓狭隘的“爱”才是人类存活下去真正的万能钥匙。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。理工男9个问题全面解读《星际穿越》
腾讯娱乐文/胡晓 策划/三替
[摘要]诺兰的确是目前最具大师气质的导演，《星际穿越》也是目前所有电影里科学和艺术的最完美结合。只可惜“卧梅又闻花”，写一个完整的影评实在力所不逮，我还是多聊一聊片中涉及到的科学知识吧。编者按：看完IMAX版的《星际穿越》已经三天了，小编的亢奋劲还没有过去。各种问题不时地冒出来，恨不得抓住一个人就想讨论中的情节。腾讯电影本期为大家带来理工男如何看《星际穿越》，满满都是干货，相信会解答你心中的一些疑惑。腾讯娱乐专稿（文/胡晓 策划/三替）（作者简介：胡晓，男，23岁，钟情物理多年却最终选择了天文，平时对航空的热爱则超越了星辰大海，憧憬着来美帝玩枪结果花了三年时间射箭，现在每天以做饭喂饱自己为荣。）作为多年的理科癌患者，我的确很喜欢诺兰的电影，但又受不了对他的无限拔高，比如对的过度解读。由于诺兰的超水平发挥，导致了我对《蝙蝠侠：黑暗骑士崛起》过于期待，看后失望之余觉得诺兰也不过如此。不过，我的怀疑在看完《星际穿越》之后彻底烟消云散了，诺兰的确是目前最具大师气质的导演，《星际穿越》也是目前所有电影里科学和艺术的最完美结合。只可惜“卧梅又闻花”，写一个完整的影评实在力所不逮，我还是多聊一聊片中涉及到的科学知识吧。1、枯萎病有可能产生吗？无人飞机、拖拉机的导航故障是什么原因？首先，《星际穿越》的背景很费了该片的科学顾问基普·索恩（美国物理学家，当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一）一番心思。作为物理学家，索恩自然不是生物学/环境专家，为了保证“植被大量枯萎”这一假设有科学依据，他准备了美食请来加州理工学院的一大波相关教授，其中包括1975年诺贝尔医学及生理学奖获得者戴维·巴尔的摩（David Baltimore），组织了一次两个多小时的讨论会。1、《星际穿越》剧照：枯萎病爆发的地球，只能种玉米专家们表示，虽然目前地球上不存在这种可以灭绝整个植物界的枯萎病，但是假如有某种病原体专门欺负叶绿体的话，那还是可能的。总而言之，这种枯萎病造成大量粮食减产和地表荒漠化，也就带来了片中地球上无处不在的沙尘暴。 另一个重要线索，也是令人类勇敢踏上外星之旅的，就是NASA观测到的引力异常。这种引力异常使布兰德教授相信引力是可以被操纵的。只要他能从理论上解决这个问题，人类最终可以通过操纵引力大规模离开地球，去新的宜居星球定居。值得一提的是，影片中出现的导航故障（军方无人机，库珀家的无人收割机）并不一定是磁场紊乱的结果，倒更像是引力异常的直接效应：GPS卫星为了保证精度在计算导航数据时必须考虑地球引力对时空的影响，如果引力异常，原先的算法自然无法保证导航的正常工作了。2、诺兰团队拍《星际穿越》的副产品：顺手发学术论文基普·索恩是当代广义相对论和黑洞物理的顶级大师，在此向大家强烈推荐他的名著《黑洞与时间弯曲》。索恩对本片的剧本创作贡献很大，他还拉着诺兰的弟弟乔去加州理工学院学习了广义相对论，诺兰本人则去了SpaceX，即太空技术探索公司感受了造火箭的气氛。（SpaceX：该公司曾放出豪言，2100年要主宰太阳系）基普·索恩值得一提的，影片中黑板上的方程式，都是索恩教授亲自写的，他还为片中布兰德教授的理论创造了几个有物理含义的变量。这样的创作实践，不仅仅在电影界，在科学界也是前所未有的。《星际穿越》上映前后，“诺兰的Group”会至少发两篇论文，一篇黑洞物理，一篇计算机图形。论文如何我们暂且不管，先聊聊《星际穿越》的重头戏，虫洞和黑洞。3、为何主角们在虫洞里只能接收信息，从未向地球发送信息？这是刻意的情节安排，往回发送信息的速率低。那个在土星附近，连接太阳系和外星系的虫洞，无疑是本片最大的亮点。虫洞作为爱因斯坦的广义相对论框架下时空的一个可能解，早在上个世纪初就被从理论上给出过。只是当时没人在意，直到1930年代被爱因斯坦和罗森再次“发现”（他们也不知道之前就有人解出来过）。这种可以在三维空间里制造“时空跳跃”的结构，被称为“爱因斯坦-罗森桥”。但是根据广义相对论，如果没有特殊手段维持虫洞，虫洞的寿命几乎是0——刚刚形成的超时空连接会在瞬间断开，这个瞬间短到哪怕光也来不及穿越。《星际穿越》剧照：虫洞在《星际穿越》中提到，这个虫洞是”They”放置在那里的，按照基普·索恩的解释，这种超级文明可能是通过高维空间打开了这个通道，无论如何，这种保持开放的虫洞具有和黑洞不同的性质：它不存在所谓奇点，也不需要多少质量，也没有类似黑洞的“视界”：它的大小取决于通道本身的宽度，当然由于通道周围也会有一点时空弯曲，依然能看到类似黑洞的引力透镜效果。虫洞看起来啥样主要取决于它另一端在哪儿，就像一个远程鱼眼镜头。把图像呈现在它的球形表面通道的“长度”越长，我们看到的图像就越扭曲，所以电影里的是一个通道较短的“短脖子”虫洞。虫洞能够穿越时间的示意图影片中的虫洞虽然是双向的，但是主角们穿越之后似乎从未向地球发送信息，而是只能接收。和系里的美国同学讨论之后，我们认为这是导演为了情节的刻意安排，而影片里的解释是往回发送信息的速率非常之低，比拨号上网还要低好多倍……4、电影里对黑洞的表现如何？近乎完美，超越了目前最卓越的科研成果。《星际穿越》剧照：黑洞《星际穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘，具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating）。大家知道，如果这个盘是个整体的话（不同半径角速度相同），那么越到内侧盘的线速度应当越来越小，但实际上在引力作用下，盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动：轨道越低（内侧），线速度反而越大，这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物质是在相互“滑动”的，这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。于是，大多数时候，我们看到的黑洞是如下图这样的。资料图当然，我们还知道黑洞本身不发光，引力会弯曲空间，于是我们看到的黑洞还是这样的：资料图这是几天前的APOD(NASA发的天文每日一图)，计算了黑洞对后部星系图像的弯曲。但是如果我们走的够近，黑洞也能弯曲背面的吸积盘的光线，最终会看到什么样的图像呢？这种事情搞天文的也关心，虽然我们没法从观测上直接分辨吸积盘的内部细节，但是这个会影响观测到的光谱（也就是能量分布），这种事情，搞模拟的也不是没算过，但是他们的结果，差不多是这样的：资料图这里颜色代表光谱/能量的频率移动，蓝色代表频率变高，红色代表变低，同时考虑了引力红移（光子逃离引力束缚会消耗能量，于是变红）和多普勒红移（严格来说是包含了狭义相对论效应的多普勒红移）。图上的这个盘是逆时针旋转的，所以它的左侧朝向我们移动，光子能量变高，会显得更蓝一些。这个图像如果太Q的话，好一些的会是这样的：资料图右下角的图形代表能观测到的能谱，由于相对论聚束效应（朝向观察者运动的光源不仅会变蓝，也会更亮，因为观察者在单位时间内会接收到更多的光子，反之则会变红变暗）的存在，能量会向高能区集中。也许你注意到了，电影里似乎没有出现多普勒频移的效果（也就是一边红点一边蓝点），不过我倒是找到一张《星际穿越》特效团队的设定图。《星际穿越》剧照，特效设定图注意这些不同的色块，代表了这些区域可观测的温度/能量，红色代表最大红移，接近内侧的黄色主要是引力红移导致的。所以吸积盘从视觉上看应该是左侧（朝向我们运动）亮而且发蓝，右侧暗而且发红。《星际穿越》的特效部门刻意舍弃了这些效应而让观众更易于理解，不过我觉得如果肉眼直接观测的话，由于这些区域的能量范围非常广（从高能的x射线到低能的红外波段），而且能量密度极高（也就是很亮），即使红移之后对肉眼来说还是太亮，如果没有类似“墨镜”的装置（实际宇航服的面罩会有各种防止高能辐射的镀膜），所以我们依然可能看到的差不多是一个均匀的光带。（就像理论上太阳外侧会比中心部位暗一些，但现实中你也看不出来，而吸积盘的亮度太阳完全不能比）。不过《星际穿越》超越这些科研成果的地方在于，基普·索恩的推导加上高精度的模拟，最终能看到的不止一个吸积盘——上面这张设定图比较清楚，背面的吸积盘像不仅从黑洞“上面”绕射过来，同时也会从“下面”绕过来。而正对观察者一侧的吸积盘下部的光，则会绕黑洞3/4圈之后再次出现在我们的眼睛里（就是黑洞上部紧贴它的那条亮线）。这只是绕黑洞圈数较少的光线的像，剩下的像会更加接近黑洞视界，所以难以看清。当然影片中的黑洞也不是完全没有问题，除了没有体现出狭义相对论的红/蓝移效应，没有壮观的喷流（jet）也是个缺憾。资料图物体在落入黑洞时除了粘滞生热，还有很大一部分能量以喷流的形式放出，这种喷流在超大质量黑洞中非常普遍，尤其是存在于宇宙极早期的天体：类星体（之所以叫这个名字是因为距离太远看上去只是一个点，但是光谱又和恒星相差甚远）中。这些天体以超大质量黑洞的吸积为动力，在极小的空间内（几个太阳系大小），辐射功率可以远超整个银河系。可惜目前这些类星体们应该都只剩下一个孤零零的黑洞，经过数亿年的吸积，周围的气体物质可能早就消耗殆尽，喷流也不复存在，这倒可以解释影片中这个看上去“柔和”的黑洞，而且，由于黑洞保留了吸积盘的角动量，也可以解释后面将要提到的黑洞自转。5、米勒星球的巨浪是怎么形成的？是受黑洞的潮汐力影响产生的，并且可能有海啸的成分。《星际穿越》剧照：初登米勒星球，浅浅的海水电影里着陆的第一个星球是米勒星球，相信看过刘慈欣的科幻小说《海水高山》的同学会非常激动的。千米级巨浪很好地诠释了“排山倒海”的气势。这么高的浪是怎么来的？一个比较自然的解释是来自黑洞的潮汐力。（引力在星球不同部分的差，减去星球本身的加速度产生的惯性力之后，会在星球靠近/远离黑洞的两端产生拉伸的作用，譬如地球的潮汐就主要来自月球的引力）我按照非自转黑洞的情形做了一个估算，如果星球质量和地球相等，浪高是1km的话，星球只需要呆在离黑洞中心20个天文单位就行了，这个距离上，黑洞的潮汐力远不会达到把星球本身撕碎的水平。《星际穿越》剧照：如山的巨浪不过影片中的浪来势之凶猛，形态之突兀，远不像一般的潮汐。在地球上，由于地形限制，潮汐有时候可以达到5米级的高度（例如钱塘江入海口的喇叭口造型），也许我们的主角们刚好降落在某个峡湾当中，迅速收缩的海底地形把平和的潮汐给“挤”成了电影中陡峭的造型。这个解释怎么看都缺乏足够的说服力，而且在这个距离上，黑洞的潮汐力会对星球产生“潮汐锁定”——潮汐力会把星球本身拉长成椭球，对星球的自转产生力矩：这个力矩会把星球的自转角动量转化成公转角动量，我们看到的结果就是星球会远离黑洞一小点，但自转会几乎停下来。但自转并非完全停止，即使是月亮，虽然总是一面朝向地球，但依然会有一些摆动，构成了月球天平动的一部分；类似的效应作用在我们的星球米勒上，带来的就是周期大约1小时的（来自基普·索恩在新书里的估算）滔天巨浪。另外，即使是地球本身也会在月球潮汐力的作用下发生形变，我们称为固体潮，最大形变幅度可以达到几十厘米。这点形变在米勒星球上会被放大很多倍：大规模的地壳运动意味着强烈的海底地震，随之而来的就是更加可怕的海啸。在地球上都能达到10米级高度的海啸放到地壳运动更加剧烈、又有黑洞强大潮汐力协助的米勒星球上，“海水高山”也不再只是导演的想象了。6、米勒星球上的时间膨胀另一个有趣的事实是米勒星球上的时间膨胀：1小时=7年。对于无自转黑洞（史瓦西黑洞）来说，想让时间减慢六万倍，行星的轨道半径只比黑洞视界半径大一百亿分之一：行星本身的直径就已经比这个它到黑洞视界的距离大了。另外一个更严重的问题是，对于无自转黑洞，最小的稳定轨道半径是黑洞视界半径的三倍，在这个距离上，时间只会比平时慢20%而已。《星际穿越》留守母船的罗米利教授，库珀和艾米利亚从米勒星球回到母船时，时间已过27年难道库珀看着孩子变得比自己还老的关键情节就一定不能成立吗？只要黑洞还在转，就没有解决不了的问题。索恩在新书里提到，如果我们的黑洞高速旋转（克尔黑洞），快到只比理论限制的最大值慢一千亿分之一的话，米勒星球就能既保证六万倍的时间膨胀，又维持在稳定轨道上了。只是这样一来黑洞的视觉图像会有很大的不对称性，为了不让观众犯糊涂，影片中的是基于60%的最大自转速率绘制的。7、库珀如何驾驶母船逃离黑洞，去到第三个星球？利用引力弹弓效应，使母船获得更多动能。影片高潮阶段，库珀帮助艾米利亚（饰）逃离黑洞也很值得一说。经过坑爹的曼恩博士（饰）一折腾，母船Endurance早已没有足以回到地球的燃料，甚至单靠自身动力也没法到达第三颗星球。库珀决定手动操作飞船Endurance环绕黑洞旋转，进行一次gravitational slingshot：借助引力弹弓效应，让飞船Endurance获得更高的速度飞到第三颗星球。“引力弹弓效应”有点类似大车撞小车，如果小车比大车轻很多的话，大车只会损失一点点速度，而小车会以大车速度的差不多两倍飞出去。这里引力就起到了“撞击”的作用：把黑洞动量的一小部分给Endurance，让它获得更多的动能。母船示意图不过黑洞的引力的确太过强大，而且由于最小稳定轨道的存在，飞船Endurance 也差不多快落入不稳定区域了，这里库珀牺牲了自己和机器人塔斯TARS所在的飞船：先是用尽所有燃料为Endurance加速，后来又主动脱离Endurance减轻负荷——这的确会为艾米利亚进入第三颗星球的轨道减轻负荷，但并不会增加多少脱离黑洞的机会：连接飞船与空间站的爆炸螺栓只会产生很小的反冲，牛顿第三定律在这里只能给空间站一丁点的加速。在这里，索恩解释，也许库珀本来的目的就是为了让自己进入黑洞：既然操作引力需要统一广义相对论和量子场论，而需要的数据只有在黑洞视界内部才能得到，那么，虽黑洞吾往矣，就来一次华丽的赌博吧！8、库珀落入黑洞的过程是怎样的？他为什么没被撕碎？稍微知道一点黑洞的观众可能知道，黑洞附近会有非常强的潮汐力，基本在你进入视界之前就被潮汐力撕碎，只是这一论断是基于恒星级黑洞的：譬如太阳如果坍缩成黑洞的话（其实太阳最终会变成地球大小的白矮星），半径只有不到3km，这时候视界表面和表面1m处单位质量（1千克）受到的引力差可以达到10的9次方牛顿，足以撕碎任何物体。但是本片里的超大质量黑洞，视界半径差不多达到了地球的轨道半径（1AU），在同样位置的潮汐力（引力差）不到十万分之一牛顿，这点潮汐力，库珀可能根本感觉不到。落入黑洞的库珀和母船中的艾米利亚握手场景对于库珀落入黑洞的过程，他自己是意识不到穿越视界的，因为从他的参照系看，视界并没什么特别，甚至依然可以接收到艾米利亚的信号。但是从艾米利亚的角度看，由于引力造成的时间膨胀，库珀到达视界需要无穷长的时间，库珀的影像会逐渐凝固在靠近黑洞表面的位置，然后逐渐变红变暗消失掉（其实光因为黑洞的引力会绕着黑洞转很多圈才跑出来），所以艾米利亚恐怕是看不到库珀到达视界的最后过程的。9、五维空间中由书房组成的时间盒子是怎么回事？超级文明的创造，是四维超正方体在三维空间的投影。就在库珀从飞船中弹射出来不久，他落入了一个由他家书房组成的高维空间里。对此，基普·索恩的解释是这是一个四维超正方体在三维空间的投影。电影中的五维，实际上包含了时间这一维度，多出来的那个空间维，则是可以让库珀迅速回到太阳系的捷径。这里要提一下导演诺兰对“时间旅行”的设定，在这部电影里，一般来说我们是无法影响过去的，例如库珀没法从书房中跳出来和过去的女儿重逢，但是引力却可以成为影响过去的媒介。诺兰在把高维书房可视化的时候参照了埃舍尔的画作《瀑布》只能说这个盒子是超级文明的创造，并且这个文明把时间作为一个维度嵌入了立方体中。索恩认为这个超立方体是在奇点附近抓住了库珀并把他救起来，不过我觉得，因为对于地球来说库珀到达黑洞视界就需要无穷长的时间，如果之后的剧情在黑洞内部进行的话，对于地球都是无穷久之后的事情了，所以我倾向于认为这个超立方体存在于黑洞视界附近，在库珀到达视界之前就把他装了进去。后面的一切就很好解释了：这个超立方体的一个“面”在三维空间中，实际上是一个有体积的空间，刚好和库珀家的书房重合（我们宇宙中相距百万光年，在高维空间里也许只有数米，从黑洞到地球瞬间就可以返回），而那个时间维度又可以轻松让库珀通过引力影响过去（譬如风沙落地的痕迹），最后通过引力操纵手表的指针，传递给女儿世界内部关于量子引力的关键信息，最终使得人类得以操纵引力离开地球——在我看来这一段是最煽情的：能够穿透不同维度的，除了引力，还有爱。
来源：腾讯视频
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