《星际穿越》中“烧脑”的时空观
  • 来源:科普时报
  • 作者:陈柳岐
  • 2020-09-10 11:02


今年暑期影院复工后,《星际穿越》在时隔六年后重映,依旧能引爆观影热潮,上映后连续占据单日票房冠军,远远超出同期上映的其他电影。这部电影究竟有什么魅力让大家在第一时间走进影院?

篇幅有限,我仅从科学的角度来浅析几个观点,《星际穿越》这部电影描述了比较难以理解的又非常新颖的时空观和因果律。什么是时空观,就是对于我们生活的时空,四维时空的时空观。我们想象一下,原来一个三维空间,长宽高三个坐标,如果这个三维空间没有任何变化,那么用长宽高三个坐标便可以唯一确定空间的一个元素。但是三维空间如果是有变化的呢?那么变化之前的元素和变化之后的元素就不是同一个元素了!也就是说我们无法只用三个坐标就可以表示出空间的元素,这第四个坐标,那就是时间。

让我们想象一下,一个三维空间,如果完全静止,没有任何变化,还会有时间的概念吗?如果整个地球都是静止的,一个小时前的地球和一个小时后的地球没有任何区别,那么标注时间还有意义吗?所以三维空间发生变化后,为了区分变化前后的三维空间,就需要加入一个维度,就是时间。四维时空,沿固定时间做剖面,都是三维时空,可以想象四维时空就是三维时空在时间轴上无限堆积形成的。就像是三维空间,沿固定高度剖面,都是一个二维平面,就是二维平面在高度轴上无限堆积形成的。

在电影中后来又出现了五维时空,这个怎么理解呢?我们生活在四维时空当中,当我们看三维空间时,第三个维度是高。所以对于我们来说,我们完全可以在第三个维度自由行动,我们可以爬上高山,也可以再下来,并没有什么问题,不会出现因果律的悖论。

但是在四维时空中,我们想在时间里穿越时,就要受到因果律的限制,就是说现在的宇宙是过去的宇宙演化的结果。也就是说,“因”在前,“果”在后,这是由光速恒定保证的。但是对于五维时空的人来说,第四维的时间对他们来说,就相当于我们看到的第三维的高度一样,可以爬上去,也可以翻下去。而不用受到因果律的限制。其实这部电影的新意主要就是在这点,就是一个对因果律的更广高度的理解,因果律也是相对空间维度而言的,五维时空的因果律应该和四维时空的因果律不同的。一样的,五维时空当中在第五维的穿梭应该会受到因果律的限制。所以,在这部电影中,时空观并没有太新颖,因果律才是它引人深思的地方。

为什么这部电影值得大家从科学的角度去细细品味和分析,我们看看一些幕后的花絮就知道了。

首先美国理论物理学家基普·索恩担任本电影科学顾问,确保虫洞、相对论等尽可能地准确。他表示他们讨论了如何描绘虫洞和黑洞,然后计算了容许光线穿过虫洞或围绕黑洞的方程,因此观众看见的是建基于爱因斯坦的相对论方程。

在设计虫洞和巨型旋转黑洞时,索恩与视觉效果总监和30名电脑特技人员合作。索恩向特技人员提供理论方程,由他们按方程编写新的电脑特技软件以造出准确的重力模拟。

导演克里斯托弗·诺兰最初担心合乎科学准确度的黑洞对观众而言未必能够理解,而有可能需要不合理地改变外观,但最后认为只要他维持一致的拍摄角度就能让效果可被观众理解。由于黑洞体积巨大,质量相对极小的人类得以进入事件视界而不会发生面条化现象。虫洞于剧中也非二维空间之洞穴而是三维空间之球体。

于早期制作中,索恩立下了原则:不能违反现有物理定律,一切想像均须有科学根据而非单凭编剧的想像。这部电影的导演诺兰在不影响电影制作的前提下接受这个原则。索恩曾一度花费两星期时间游说导演放弃一个关于角色超越光速飞行的理念,他也表示能够容许最大艺术自由的是剧中角色到访之一个星球的冰云层。

正是这些科学家和艺术家们的不懈努力和严谨的科学态度,才把一部旷世巨作呈现给我们,让我们知道,最遥远的不是距离而是时间,只有爱才能穿越距离和时间而永恒。

(作者系中国科普作家协会科普教育专业委员会副秘书长、科幻创作研究基地副秘书长)



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