《星际穿越》中的物理学

《星际穿越》中的物理学（精选6篇）

《星际穿越》中的物理学 篇1

《物理学基础与前沿专题》课程论文

题目：《星际穿越》中的物理学

姓 名：

林亚南 学 号： SY140954 年 级： 2014 院 系：

理学院 专 业：

学科教学（物理）专业 任课教师： 邹斌

2014年

12月日

《星际穿越》中的物理学

一、为什么宇宙飞船要旋转？

这是一个比较简单的问题。首先简单解释一下对于在太空飞行的宇航员来说何谓 “失重”。下面是一些关键点：

（1）太空里仍有万有引力；

（2）当宇航员（和飞船）只在万有引力的作用下加速时，宇航员就会有失重感；

（3）对于宇航员来说，这种感觉就像重力“消失”了；

（4）但人类并不怎么能感觉到重力，因为它作用于我们身体的每一个部分。

事实上，我们将重量和接触到的外力，例如地面支撑我们的力，联系起来。我们称这种力为“表观重量”（apparent weight）。

飞船当然受到引力，但引力都用来改变飞船的速度了。宇航员感到的“失重”，失去的其实是表观重量。而解决失重感的方法，就是对物体施加某种力，使之具有表观重量。

图1 地球上与飞船上的宇航员所受的力

上面的图中有两个宇航员。左边那个站在地球上，右边那个站在宇宙飞船里。如果宇航员处于引力非常小的地方（如深空），唯一使他“感受到重量”的方法办法就是令地面对他施加支持力。这种情况下，右边的宇航员也能像左边的一样感受到重量。

那么要如何在太空里对宇航员施加这个力呢？这就要从力的性质入手了。大家对下面这个公式应该十分熟悉：

这个公式表明物体会在其受到的（净）合力下加速。力和速度都是矢量，现在我们只研究极短时间内物体的运动状况。在这个极短的时间段内，物体的平均加速度是：

图2 宇宙飞船中的宇航员的速度

做圆周运动需要加速度，这一点其实我们早就知道了——每次开车转弯时，你都能感受到这股沿着角加速度方向的力。宇宙飞船在旋转时的原理亦是如此。宇航员（在旋转飞船里）受到的表观重量只取决于两点——圆周的半径和旋转的速度（通常用角速度ω表示）。以合适的速度做匀速圆周运动，飞船里的宇航员也可以获得表观重量。下面是在旋转飞船里的表观重量的表达式（用重力加速度g来衡量）：

大的宇宙飞船（半径r比较大）不需要转得太快。如果飞船比较小，就要转快一些。

图3 《星际穿越》中的宇宙飞船

二、宇航员能活着穿过虫洞吗？

(一)虫洞是什么？

虽然爱因斯坦和他的助手纳森·罗森（Nathan Rosen）最早不这么叫它，但是虫洞最初的确是他们的智慧结晶。当时他们正在试图用各方法来解爱因斯坦的广义相对论方程，以及用一个纯粹的数学模型来解释整个宇宙，包括重力，以及构成物质的各种粒子。其中包括的一种方法是将空间描述成两个几何面，其间由“桥”连接，而在我们的感知中，这些桥就是粒子。

1916年，另外一位物理学家路德维希·弗拉姆（Ludwig Flamm），同样是在解爱因斯坦的方程的时候，独立发现了这些“桥”。不幸的是，这个“万有理论”并不成功，因为这些“桥”的表现并不像是真正的粒子。但是爱因斯坦和罗森在1935年发表的论文使得“穿越时空结构的隧道”这个概念得以流行，其它物理学家不得不认真地考虑这些隧道带来的影响。

20世纪60年代，普林斯顿大学的物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）在研究“爱因斯坦-罗森桥”的数学模型时，创造了“虫洞”这一术语。他指出，这些桥很像虫子钻过苹果后留下的洞。一只蚂蚁从苹果的一端爬到另一端，选择一是绕着苹果弯曲的表面爬上半圈，选择二则是抄苹果上的虫眼这条小路。想象一下在更高纬的空间里，如果我们所处的三维时空就像是苹果皮一样弯曲着的，那么穿越高维空间实体的“虫洞”，必然可以让我们更快地在三维空间中的两个点之间往返。这听上去有些奇怪，但从数学上来说，这是的确是广义相对论的一个合理的解。

(二)我们能通过由经典的史瓦西黑洞造成的虫洞吗？

惠勒意识到爱因斯坦-罗森桥入口的特性与史瓦西黑洞（Schwarzschild black hole）的描述恰好相符：一个由物质组成的球体，密度大到连光也无法从它的引力场中逃逸。天文学家认定黑洞是存在的，认为大质量恒星核心坍缩之后就会形成它们。所以黑洞可以同时是虫洞，亦即星际旅行之门吗？数学上来说，可能可以——但是没人能活着完成这次旅行。

图4 影片中花朵状的永恒号太空船正在接近虫洞

在史瓦西模型中，黑洞的核心是一个奇点，一个具有无限大密度的，中性的，静止的球体。惠勒计算了如果三维空间中两个相距遥远奇点跨越更高维度相连会发生什么——形象一点儿说，就是两个史瓦西黑洞通过隧道相连。他发现这样的虫洞天生就不稳定，这样的隧道可以形成，但是很快就会收缩“夹止”（即从中收缩断开），重新形成两个独立的奇点。这个过程非常快，隧道从形成到断开的时间如此之短，以至于连光都来不及从中穿过。而且如果宇航员想要从中通过的话，必然会遇到其中的一个奇点——这是件必死无疑的事情，因为奇点巨大的引力会将任何一个试图靠近的人撕得粉碎。

索恩也在这部电影的配套书籍《星际穿越中的科学》中写道：“任何试图穿越（虫洞）的人或物都会在夹止过程中被毁灭。”(三)如果黑洞转起来，形成一个克尔黑洞呢？

当然我们还有选择的余地：广义相对论认为还有可能存在着一种转动着的克尔黑洞（Kerr black hole）。与史瓦西黑洞中的球体不同，克尔黑洞中的奇点是一个环。有一些模型认为，人可以舒服地从这个环的中间通过，就像篮球通过篮筐那样。但是索恩对此观点有诸多异议。在1987年他发表的一篇关于穿越虫洞的论文中，他提出克尔黑洞的喉部具有一个非常不稳定的区域，叫做柯西视界（Cauchy horizon）。数学告诉我们，任何物质，包括光，试图通过这一视界的时候，这个通道都会坍缩。而且即使通过什么特殊的途径使得这个虫洞稳定下来，量子理论告诉我们虫洞里也将充满各种高能粒子。涉足克尔黑洞，会被炸得像薯片一样脆。

(四)如果再加入一些量子理论呢？

现在的关键是，经典引力理论尚未与量子理论完美结合——虽然有很多研究人员试图搞定它，但是用数学来表示量子世界依然很难实现。不过在一方面，普林斯顿大学的胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）和斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）认为，虫洞可能是量子纠缠态的物理表现——这种状态下的物体不论距离多远都是相互关联的。

爱因斯坦曾讥讽量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”，并拒绝接受这一理念。但是很多实验告诉我们量子纠缠是真实存在的——这一现象甚至在商业上都得以应用，例如在银行交易时用以保护在线传输的安全性。根据马尔达西那和萨斯坎德的理论，大量的纠缠态变化会改变时空的几何形态，以纠缠态黑洞的形式形成虫洞。但是这个版本的虫洞并不会使星际穿越之门。

“这些虫洞并不能让你超光速航行，”马尔达西那表示，“但是它可以让你与虫洞里的人见面，当然得提前警告你们，两边的人会同时死于引力奇点的作用。”(五)除了黑洞，我们还有其他的选择吗？

所以，黑洞是个大问题。那，虫洞可能是什么？哈佛-史密森尼天体物理中心的阿维·勒布（Avi Loeb）表示其实要形成一个虫洞的话，我们还有很多可能性：“因为我们现在还没有一个理论可以很好地将广义相对论与量子理论统一起来，所以我们还不知道能够形成虫洞的时空结构都有哪些可能性。

还有一个问题。索恩在他1987年的工作中发现，符合广义相对论的任何类型虫洞都会坍缩，除非它是由具有负能量的“奇异物质”支撑着的。他认为我们有证据表明奇异物质的存在，因为实验表明真空中的量子涨落似乎会产生一个负压，就像两面紧靠着的镜子一样。勒布还表示，我们观察到的暗能量可能进一步暗示着宇宙中奇异物质存在的可能性。

图5 我们的宇航员，似乎真的凶多吉少。

“纵观宇宙近代史，不难发现河外星系都在远离我们而去，而且速度越来越快，就像是受到了反重力的作用一样，”勒布表示，“如果我们认为宇宙中充满具有负压力的物质，就可以解释宇宙的加速扩张„„就像是我们制造一个虫洞所需要的那种一样。”当然，这两位科学家都认为，自然形成一个虫洞需要的奇异物质太多了，而且只有高度发达的文明才有可能收集足够的奇异物质，来维持虫洞的稳定。

当然其他的物理学家并不太相信这一观点。马尔达西那表示： “一个稳定的，可以穿行的虫洞的存在会让人十分困扰，因为这与已知的物理学定律相违背”。北欧理论物理研究所的萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）对此更加怀疑：“我们目前没有任何证据表明它（奇异物质）存在。实际上很多人都认为它不可能存在，因为那样的话真空就会不稳定。”即使奇异物质存在，想要漂亮地穿越虫洞，可能也不是那么容易的事情。实际的效果可能取决于虫洞周围的时空曲率，以及虫洞中的能量密度，霍森菲尔德表示：“这里发生的情况可能和在黑洞里发生的差不太多：潮汐力太大，试图穿越的人被撕碎。”

三、五维空间是如何呈现的？

影片高潮片段，我们见识到了所谓的“五维时空”，要把这个概念呈现在大银幕上是非常困难的。通常认为我们所处的世界是四维时空，也就是三个空间维度加一个时间维度，而五维时空则有四个空间维度。拥有四个空间维度的立方体被称为超立方体，双重否定团队的任务便是用视觉来呈现这个超立方体。从艺术角度讲，他们本可以很抽象地表现这个空间，但是受导演影响，团队决定尝试按照超立方体确切的样子来制作。

图6 基普在黑板上解释四和五维空间中的引力情况

由于人类目前无法理解四个空间维度，因此诺兰设计让库伯掉入超立方体的其中一个面里。我们知道立方体的面是二维的，因此超立方体面是三维的。诺兰正是让库伯掉入超立方体的“三维面”，才使得库伯没有灰飞烟灭。同时，墨菲的卧室位于超立方体的另外一个三维面上，在五维时空里他们隔得如此之近，这也是为什么库伯会在超立方体中看到墨菲的卧室。

图7 库伯可以从上下左右前后六个方向来看墨菲的卧室

根据爱因斯坦的相对论，回到过去是不可能的，即便是进入高维时空。但影片中设计让引力波可以穿越时间，影响过去，而对库伯来说，他需要看到所有的时间，从过去到未来。正如塔斯所说，五维时空里时间是实体，就像一根线，你可以看到线上从头到尾的每个瞬间，但是，要改变过去瞬间发生的事情，只有借助引力波。

于是，电影制作者开始思考超立方体里面应该是什么样子的，尤其是如何展现“时间是一个实体”，如何展现所有物体在整个时间线上的每个瞬间。富兰克林得找到一个平衡点，既不能让画面显得太过杂乱，又要从库伯的角度观察时间线上不同瞬间墨菲卧室里发生的事情。

他的办法是把墨菲卧室的六个像缩小，并让每个像发射两条垂直的线，这两条线就是“时间线”。每当时间线相交的时候，就会产生一个卧室的像，因此整个五维空间里可以有无数个卧室的像，这些像位于时间线不同的位置上，因此每个像所代表的时间不同，库伯只要沿着时间线漂浮，就可以看到墨菲卧室的过去或未来。

图8 垂直的时间线组成无数个墨菲的卧室

四、关于超大黑洞——“卡冈图雅”

(一)黑洞是什么样子的？

图9 电影中展示的“黑洞”形象

为什么黑洞看起来会是这个样子？

“当然啦，黑洞就应该是这个样子的。”当基普·索恩（Kip Thorne）望着在他的帮助下建立起来的黑洞时，心里便是这样想的。这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着，将宇宙的物质一点点地吸引过去。理论上讲，黑洞本是一颗恒星，然而它最终没有熄灭或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一样，坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点（singularity）。一道光轮环绕着里面的球形大漩涡，看起来似乎既从上面弯过去，也从下面弯过去了。

但这一切都十分自然，因为黑洞附近常常发生奇怪的事。例如，黑洞引力极大，以至于弯曲了宇宙的结构。爱因斯坦对此进行了解释：质量越大的物体，产生的引力就越大。像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力，导致光线弯曲，时空扭曲。更神奇的是，如果你离黑洞比我近，我们对时间和空间的感觉会不一样。相对来说，我的时间会过得快一点。

为了向观众传达黑洞是球状的这一信息，它看起来会像是个圆盘，唯一能看到的就是它如何使笔直的光线拐弯。吸积盘是一团凝聚在一起的物质，它围绕着黑洞旋转。电影制作者发现可以用这圈环绕的碎石来确定黑洞的外观。

特效人员做了一个巧妙的演示。她建立了一个多色的平面圆环代表吸积盘，然后把它放在旋转的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情发生了。“我们发现黑洞外围扭曲的时空同样弯曲了吸积盘，”弗兰克林说：“因此吸积盘并不像是土星环那样围绕着一个黑色的球，相反，光线弯曲会产生这样一个奇特非凡的光晕。”

图10 特效人员构建出了黑洞模型

根据索恩提供的公式，特效人员构建出了黑洞模型，黑洞周围的光呈现出奇特的景象。

图11 电影中的吸积盘形象

这就是为什么当索恩第一次看到黑洞的最终效果时会觉得“就该是这样嘛”。双重否定团队开始认为一定是渲染器里出了bug导致这个效果，但是索恩意识到他们已经正确地建立出与他给出的数学公式一致的现象模型。

尽管如此，没有人会知道黑洞到底是什么样子的——除非他们真的造一个出来。黑洞周围那些被吸过去但是逃脱一劫的光，在黑洞的阴影附近展示了出人意料的复杂特征图谱。而发光的吸积盘则在黑洞的上下方以及前方出现。(二)“卡冈图雅”自转到底有多快？

旋转黑洞会导致很复杂的星象场，也会导致黑洞本身和吸积盘左右看起来不对称。如果按照导演诺兰的要求，米勒行星上的1个小时等于地球上的7年，那么“卡冈图雅”的自转几乎需要达到黑洞的最大可能自转（仅比最大可能自转慢100万亿分之一）。索恩在科学设定中使用的都是这样的自转速度。然而诺兰对广大电影观众是很负责任的，为了减少这种不对称和复杂的背景带来的困惑，他把卡冈图雅的自转降到了最大可能自转的 60%。

补充说明：克尔黑洞的自转受到广义相对论的限制，如果旋转再快的话，裸奇点就会出现，这在目前的大多数理论中不被允许。无论运动多快的物质进入到黑洞，都不可能再增加黑洞的自转。高速旋转的极端克尔黑洞周围会看到很多复杂的现象。(三)为什么靠近黑洞的人没有被吸积盘的辐射杀死？

“卡冈图雅”吸积盘的温度只有几千度，与大多数黑洞吸积盘不同。而太阳的表面温度也不过 5500 ℃，太阳光中高能的 X 射线、伽马射线很少，对地球上的我们无害。同样，温度只有几千度的吸积盘，对“卡冈图雅”的3颗行星是无害的。

补充说明：吸积盘的温度与吸积物质的多少等因素相关，单位时间内吸积的物质越多，吸积盘的温度就越高。按照设定，“卡冈图雅”已经很久没有吃到东西了，饿到了极度“贫血”的地步，所以吸积盘的温度就降下来了。

黑洞的视觉效果呈现—— 一团发光物质围绕着它，并逐渐被引力吞掉——是相当合理的。但是如果你进入了这个区域，那你要么会被灼热的伽马辐射杀死，要么会被引力撕开

(四)人类真的可以活着靠近黑洞吗？

NO.如何死掉？

视频：掉入黑洞的2.5种死法

《星际穿越》中的物理学 篇2

问：你一开始写的那份电影纲要里，有多少内容被保留在了最终的电影里？

答：根本看不出是同一部电影了，除了科学观念和场景，也就是我喜欢称为宇宙弯曲一面的东西——黑洞、虫洞、更高维度，诸如此类。

故事完全被彻底重写了，除了最泛泛的那些情节，比如我们派探险者离开地球，前往外太阳系的一个虫洞，然后穿越虫洞，造访其他行星。观念被保留了下来，这是我和琳达最看重的东西：真正的科学，不论是事实还是推测，从一开始就深深植根在这部电影的构架当中。

我们制定的指导路线也被保留下来。首先，电影里不能有任何东西违背已经确立的物理定律。其次，电影里当然会有一些推测，但所有那些疯狂的推测都必须源自于科学，而非来自某位编剧的一拍脑门。我对最终结果非常满意。

问：电影制作人就没有任何地方超出你们制定的指导路线吗？

答：没有很严重。有一处我不太满意，就是一颗行星上存在冰冻云。据我所知，冰的物质强度应该没有能力支撑起这样的结构。每次看这部电影，这个地方总让我感觉难为情。我不记得告诉过任何人想要这个场景。不过我也得说一句，如果这是整部影片里最违背物理定律的地方，那他们已经做得非常非常好了。

问：在你的书里，你说克里斯托弗·诺兰自己把一些科学元素带入到了剧本中。他带来的是什么？

答：影响最大，我也确实喜欢的，是超立方体（tesseract，立方体的四维对应物）。在我们第一次会面时他告诉我，他在考虑使用超立方体，当时他没有谈及任何细节。但我非常开心，因为我13岁时读到一本书，乔治·伽莫夫（George Gamow）的《从一到无穷大》（One Two Three … Infinity）。在这本书里，伽莫夫就画过一个超立方体。它看上去像是两个立方体，一个嵌在另一个里面，我花了好几个小时盯着它看，试图能够理解它。我发现它非常迷人，这给我带来了许多影响，其中比较重要的便是，我成为了一名理论物理学家。

所以，当诺兰告诉我他想用超立方体的时候，我立刻想到并且跟他讨论说，这是一个理想的途径，能够把他的英雄带到五维时空，从宇宙中我们所在的区域迅速旅行到另外一个区域，因为它们在五维时空中的距离要比在我们的膜宇宙（我们现实中的四维时空）中近得多。

问：肆虐地球的枯萎病，这个点子来自哪里？

答：这是乔纳森·诺兰的主意。他提出这个点子时，我和他，还有琳达决定，我们确实需要找找看，关于枯萎病和其他类型的生物灾难，我们都知道些什么。我们安排了一场“枯萎病饭局”，邀请了生物学方面的专家展开详细讨论，想要确定从地球上的生物学角度出发，哪些事情可能会出问题。

问：你跟英国伦敦“双重否定”公司的视觉特效团队合作，给他们提供了方程，然后他们再编入代码。看到这些方程变成一个黑洞呈现在你眼前，感觉如何？

答：看到他们生成的高清画面，感觉棒极了。我大概知道他们会做出什么样的效果，但从“双重否定”公司拿到片段，看到他们所能呈现出来的、如此难以置信的高清和动态黑洞的时候，我心里充满了敬畏之情。

问：你说过，从他们的模拟中了解到了新东西？

星际穿越观影心得 篇3

作为一部典型的好莱坞科幻大片，电影的画面无可挑剔，极具美学色彩。电影的每一幕都可以截屏做壁纸，一开始的末日景象与大片的玉米田地鲜明对比，壮阔的土星星环，美的.窒息的虫洞，后来的主角cooper和队友一起飞临第一个星球的巨大海啸，第二个星球的冰冻云层，都极为漂亮与震撼，值得注意的是这不仅仅是一部单纯的科幻片，里边所展现出现的场景都是包括编剧以及科学家们基于严谨的科学理论和合理猜测所描绘的宇宙世界。

伴随着电影的继续，我们似乎经历着主角所经历的感受，我们感受到他所感受到的同样的快乐与悔恨，我们感受到同样的引力，我们也感受到对未知的恐惧与无力，也有最后终于团聚的喜悦。全片以主角cooper和女儿Murph的感情羁绊贯穿始终，穿插叙事。电影中第一次主角在未来自己的帮助下找到坐标准备去nasa的时候，Murph藏在皮卡车上和父亲一起，而当第二次主角准备开车去驾驶飞船离开地球去往未知的星系，掀开旁边座位的衣服却没有发现女儿，正是因为没能挽留得住父亲，Murph也一直与父亲cooper赌气，很久都不愿与父亲说话，直到后来她的年龄到了和父亲离开时的年龄一样大她才第一次给失联已久的父亲讲话，声泪俱下，女儿等了一生坚信父亲会信守承诺一定会回来和她团聚。在电影的最后父女短暂的相见异常感人，依旧年轻的父亲与衰老的女儿。

诺兰的电影总给我们这样一种感觉，一开始我们觉得电影很乱，多个故事穿插叙述，有些云里雾里，但当我们看完电影总会有一种看懂的感觉。仔细一想很多情节又不是很明白，这正是诺兰的高明之处。

另一个重要的人物曼恩博士，曼恩博士最开始鼓舞其他十一个人跟他一起踏入未知世界探索人类希望，却不曾想到自己也是凡人，并不能忍受无尽的孤独，开始编造数据并企图返回地球。人性在孤独的绝境面前一文不值，当整个世界只有孤身一人，这样的孤独感是人类所无法忍受的，我相信在曼恩博士被cooper等人唤醒之后看到他们的反应是他内心最真实的，一句“希望你永远不会知道再次看见人类是多美好的事”就已经将他所经历的那种孤独表达的极为详实，他是所有活着的人里最想回到地球，但是后来被机器人看穿最终惨死太空。电影的最后主角坚信女儿一定会拿走他们曾经约定好的那块表，其实这是拿全人类的希望做赌注，机器人也疑惑的问道，这是全片主角唯一一个不理智的行为，其实并不是所有的东西都可以量化，我们看过太多以爱为名的电影，但在诺兰的电影里还是被感动的一塌糊涂。

星际2穿越经典语录 篇4

2、带外太空去，拯救他们，准备好跟我们的太阳系说再见了么?

3、适宜人类居住的星球触手可及，可以解除我们灭绝的危机。

4、这里一小时相当于地球上的一年。

5、那不是山，是巨浪，快回来。

6、你要在见女儿和人类未来之间做出选择。

7、你都不知道自己什么时候回来。

穿越之旅即将启航 终极探秘任务结局成谜

电影《星际穿越》以地球末日危机为大背景，讲述了在未来的地球，环境急剧恶化导致人类濒临灭亡，马修·麦康纳与安妮·海瑟薇等人被选中成为拯救人类未来的研究人员，离开家人与地球踏上寻找希望与生机的太空之旅。

今日发布的终极预告预示着距离太空之旅任务又近了一步，这场永久离开地球穿越神秘虫洞的宇宙航旅正一步步开启。整支预告片剪辑紧凑、节奏感极强，立刻渲染出践行宇宙探秘任务的紧张氛围。视频中，无际汪洋掀起巨浪屏障，酷炫飞船不幸爆炸，马修·麦康纳表情凝重濒临崩溃，安妮·海瑟薇神色恐慌不禁惊叹，探险队成员面临种种挑战，终极任务结局成败与否不得而知。探险队一行人究竟能否找到适宜人类居住的星球，成功实现航旅任务，就要等到影片上映后一一解答了。

《星际穿越》全球巡礼亚洲站落沪 黄金阵容即将亮相中国 继《盗梦空间》后，时隔四年，好莱坞天才级导演克里斯托弗·诺兰携原创作品《星际穿越》磅礴回归，这部最强科幻巨制将于 11月12日正式登陆中国内地，势必刷新观众的认知极限，再创影史辉煌。

电影《星际穿越》经典台词 篇5

电影《星际穿越》经典台词

1、我们就是孩子们以后的回忆了，有了孩子，你就是孩子未来的幽灵。

2、在这里起源不意味着在这里消亡。

3、多了年龄，也多了智慧，还有重逢的喜悦。

4、我们曾仰望星空，思索我们在星辰中的位置，而今我们只会低垂头颅，忧虑污泥中的身躯。

5、我们去了多久?二十三年四个月零八天。

6、你说过等我们再见面时，我们可能是一样的年纪，今天我就到了你离开时的年龄，所以现在就是你应该回来的时候了。

7、根本不是什么他们，而是我们自己。

8、没有父母应该看着自己孩子死去。

9、不要温驯地走进这个良夜，激情不能被消沉的暮色淹没，咆哮吧，咆哮，痛斥那光的退缩。

10、从孩子出生开始父母就成为了他们的幽灵。

11、我们要超越自己的领地。

12、爱是一种力量，让我们超越时空的维度感知它的存在。

13、身为人父后就必须有一份责任铭记于心那就是无论如何都要保证孩子的安全。

14、我们救不了地球，我们应该离开它。

15、墨菲：今天是我的生日。这个生日很特殊，因为你当年走的时候说，等你回来的时候我们俩大概就一样大了。现在我已经到了你离开时的年纪……如果你能早点回来就太好了。

16、布兰德博士：不知道我更害怕哪个，是他们不会再回来了，还是回来却发现我们失败了。 墨菲：那我们就成功啊。

17、库珀：塔斯，你的信任值是多少? 塔斯：显然比你们低。

18、库珀：人类生在地球， 但绝不应该在这里灭亡。

19、爱是唯一可以超越时间与空间的事物。

20、爱是永恒不变的力量，能够超越所有维度，当我归来，你已垂暮，我一次呼吸划过了你一辈子的岁月。

21、墨菲定律并非指的是那些变坏的事情必会发生…而是指那些能够发生的事情，就会发生。

22、勇踏前人未至之境。

23、我们曾经仰望星空并且期许总有一天可以登陆其他星球，但现在我们只能低头担心我们居住地的废土。

24、不管现在的时代有什么缺点，他确实是每天都有新的事物和概念出现，每天都像过圣诞节，人是很贪婪，但是也很勇敢，面对浩瀚的宇宙，没有心里的爱和勇敢，我们就真的太渺小了。

25、大自然是残忍的,恐怖的,但是你不能说它是邪恶的。就象狮子撕碎一只羚羊,你不能说它是邪恶的。

26、我们需要前往距离我们生存的世界极其遥远的地方，我们不可以作为一个个体来思考这个问题…

27、你要在见女儿和人类未来之间做出选择。

28、库珀：我们总坚信自己有能力去完成不可能的事情。我们珍视这些时刻，这些我们敢于追求卓越、突破障碍、探索星空、揭开未知面纱的时刻，我们将这些时刻视为我们最值得骄傲的成就。但我们已经失去了这一切。又或者，也许我们只是忘了我们仍然是开拓者，我们才刚刚开始。那些伟大的成就不能只属于过去，因为我们的命运就在太空。

29、布兰德：你难道没有告诉你女儿你是去拯救世界的吗? 库珀：没有。当你为人父母了以后，你会非常清楚一件事，那就是你得确保你的孩子有安全感。

30、我们要面对一个现实，跨越星际之旅的现实。

31、不要温和的走进这个良夜 ，地球文明应当燃烧咆哮 ，抓住，抓住光明的消逝!

32、爱是一种力量，让我们穿越时空感受它的存在;你说过等我们再见面时，我们可能是同一个年纪…现在我到了你离开时的年纪，所以你该回来了…

《星际穿越》中的物理学 篇6

引力波观测

根据爱因斯坦的广义相对论的描述，引力波是一种时空的褶皱，它自身具有能量，通过时空传播。在理论上一些激烈的宇宙学现象，比如黑洞相撞、一个巨大的天体被黑洞吞噬等等，都会释放出剧烈的引力波，并且有可能传播到地球上。LIGO设置在美国华盛顿州和路易斯安那州的两个天文台，正是为了探测这种时空的褶皱，而在法国、荷兰、意大利等国也都有类似装置，日本也正在建造引力波探测装置，人类正在形成一个引力波探测网络，故事也就由此而起。

尽管人类目前在地球上还没有探测到任何引力波存在的痕迹（2014年初，一组科学家宣布他们在南极探测到的宇宙微波背景辐射过程中发现了其中原初引力波的痕迹，证实了宇宙暴涨理论，这引起了全世界的关注，但是这个发现随后被认为是受到了噪声的干扰，并不能成立），但是在宇宙学观测中，宇宙学家们已经发现了证明引力波存在的有力证据。索恩相信，在未来10年内人们就有可能在地球上探测到引力波，人类在并不遥远的未来就可以利用引力波来精确探测宇宙中的天体，这也正是电影故事发生的基础。唯有如此，布兰德教授才能在2019年发现太阳系内蹊跷地出现了一个虫洞。

年轻的布兰德在2019年通过LIGO观测到了一场只持续了几秒钟的引力波大爆发，他开始调查发生引力波大爆发的位置。结果他惊奇地发现，这场激烈的爆发竟然是发生在太阳系的内部，土星附近。这显然让他无法理解——这个程度的引力波大爆发只会发生在巨大且致密的天体之间，但是如果在太阳系内部真的出现了这种天体，比如说一个巨大的黑洞，那么整个太阳系内所有行星的轨道就会被黑洞巨大的引力所打乱，土星，以及太阳系所有的行星，甚至包括太阳在内的整个太阳系，也应该早就被摧毁，为什么布兰德还能够安全观测到这场引力波大爆发，却没有观测到太阳系内有任何的异常现象？最终布兰德发现，这个悖论只存在一个解释，就是在土星附近出现的是一个稳定的虫洞，这个虫洞连接了宇宙中遥远空间的两端，它的两个开口一个在太阳系内的土星附近，另外一端则在一个超大型黑洞附近，也就是电影中描述的卡冈图雅（Gargantua）黑洞，他所观测到的引力波爆发，实际上是来自虫洞另外一端的黑洞正在吞噬一颗中子星，这并未影响到太阳系的安全，但在这个过程中发出的引力波则有一部分通过虫洞传播到太阳系，进而被布兰德发现。

虫洞

虫洞已经成为一切星际穿越题材的电影中最必不可少的装置，这不仅是因为在理论上虫洞自身奇异的特性，也是由浩瀚的宇宙自身所决定的。人类目前的活动范围仍然被限制在太阳系以内，一方面是受到自身科学技术水平的限制，另外也要受到狭义相对论的限制。爱因斯坦的狭义相对论规定，光速是宇宙中最快的速度（大约为每秒钟30万公里），人类驾驶宇宙飞船，无论使用何种动力手段（包括核动力），都很难接近光速。太阳只是银河系中的一颗中等恒星，而人类所居住的太阳系本身是太阳的1000倍，光穿过整个太阳系都需要11个小时，而即使是以光速到达距离太阳最近的恒星，比邻星（Proxima Centauri）也需要4.22年，以人类目前的科技水平，甚至是在可预见的未来，都绝无可能到达（在电影中，库珀利用火箭从地球出发，到达土星都花费了两年时间）。太阳和比邻星，不过是银河系中的沧海一粟而已，银河系也只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。那么人类想要进行星际旅行，唯一的可能就是借助虫洞进行穿越。

虫洞仅能够存在于理论中，原因就在于索恩证明，它即使存在，也会极不稳定，这种奇异的天体诞生—膨胀—收缩—死亡的速度极快，更有可能是在微观尺度下的量子泡沫中随机的产生和消失，远小于原子尺度，因此完全不可能让人类进行宇宙间的穿越旅行。而且，要形成一个在理论上稳定的虫洞，需要大量有负能量的“奇异物质”，这在理论上也无法做到。

即使是在理论上可以实现，在宇宙中也很难“自然”形成一个稳定的虫洞，原因就在于人类目前观测不到任何有可能形成虫洞的天体。《星际穿越》中出现的其他天体，比如恒星、行星、黑洞、中子星等，人们都早已通过天文学观测得到了证实，但是人类在宇宙中找不到任何天体存在着任何可能演变为虫洞，而宇宙大爆炸过程中“自然”产生出虫洞的机会也是微乎其微。

尽管如此，要实现星际穿越、探索宇宙中各种奇异的天体、挽救地球，一个可以穿越折叠空间的虫洞仍然必不可少，否则人类连冲出太阳系都不大可能。索恩假设可以出现稳定的虫洞供人类进行宇宙穿越，同时这个巨大的虫洞就被放置在太阳系内，这如同在一个失火的房子窗口恰好出现了一个安全梯，如此体贴，不可能是一个巧合。那么，在电影中解释，只可能是一种更为高级的生命把虫洞放在那里，专门为了解救人类。索恩通过计算，设置了土星附近虫洞的大小：直径大约是1公里，长度则只有几十米，飞船穿越，应该是一晃而过。但是诺兰为了电影效果，还是将拍摄成虫洞漫长且内部充满了奇异的闪光，犹如是驾车驶过一个黑暗的隧道，这其实也是很多人对于穿越虫洞场景的想象。

黑洞

黑洞才是《星际穿越》整部电影中真正的主角，那个巨大的卡冈图雅黑洞是这部电影的主心骨。不仅是导演，索恩为了设计这个巨大的黑洞也是倾尽心血，使它注定会成为电影史上一个令人难以忘记的鲜明角色。正因为卡冈图雅黑洞的外观和行为在极大程度上符合当今的物理学理论，也正是由于黑洞的种种特性推动了情节发展，才使它如此鲜明，令人难忘。

黑洞同样也是广义相对论的产物。广义相对论描述了物质与时空之间相互作用的关系，真正开启了人类的宇宙学探索。索恩的导师惠勒曾经说，“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。这句话就是对于广义相对论极佳的概括。物质（或是能量）可以使时空扭曲，而当物质的密度极大时，时空的扭曲到达极限，就会形成黑洞。从这个角度说，黑洞就是由卷曲的时空组成。在黑洞的视界范围内，任何物质，包括光线都无法逃脱，因此注定只能是一片黑暗，但在黑洞的视界周围，因为环绕黑洞的吸积盘的存在，又有可能发出光亮。在黑洞的中心，存在着一个时空卷曲到极致的点，称为“奇点”，在奇点处任何物理学定律都将失效。

黑洞听起来可怖且危险，实际上它是广义相对论自然而然的产物，尽管黑洞会吞没一切信号，人类不可能得到关于黑洞的直接观测证据，但已经有各种各样充分的间接证据证明，黑洞确实广泛地存在。在大多数星系的中央，包括银河系内，都坐落着一个巨型黑洞。银河系中央的巨型黑洞Sagittarius A*的质量大约是太阳质量的410万倍（也就是说它的引力是太阳的410万倍），维系着整个星系。不仅如此，在银河系内还存在着大约1亿个小黑洞，这些小黑洞大多都是由质量在3～30个太阳质量之间的恒星在燃烧尽自身燃料后发生内爆，随后又发生塌缩形成的。这种黑洞的质量一般也是在3～30个太阳质量之间。而银河系中还有大约1亿颗恒星将在死亡之后发生内爆，进而塌缩成为黑洞。

因为恒星死亡而形成的黑洞，质量一般都不会太大，一般在100个太阳质量以内，而电影中索恩设置的超重黑洞卡冈图雅，质量远超银河系中心的黑洞Sagittarius A*，达到1亿个太阳质量，并且在进行着剧烈的自旋，这一切都是为了电影情节的发展而做出的合乎物理学理论的假设。这种超重黑洞不可能因为恒星死亡塌缩而形成，它们形成的原因人类目前还不清楚，有可能是由巨型的气体聚合形成，也有可能是黑洞相互融合形成。如同卡冈图雅这样的巨大的黑洞，虽然在宇宙中罕见，但也并非是绝无仅有。目前人类发现的最重的黑洞名为NGC1277，它的质量相当于太阳质量的170亿倍，距离地球2.7亿光年远，这个距离大约是目前可观测宇宙的距离的1/10。好在起码人类不用担心自己葬身于黑洞中，太阳系中并没有这样沉默的巨兽，最近的黑洞也距离地球300光年，不会威胁到太阳系。

过于接近一个黑洞时，除了会被它吞没，还有另一个特性就是时间的流逝会变慢，这是由黑洞强大的引力场扭曲了时间维度造成的奇妙现象之一。爱因斯坦的相对论使人类摆脱了牛顿力学中的绝对时间（宇宙中到处都放着一块显示统一时间的手表）和绝对空间（宇宙中放着一把刻度精准、永远不变的尺子）的概念，“同时性”的概念变得极为精妙，时间的流逝成了相对性概念，其快慢与一个人所运行的速度和他身处的引力场强度有关。实际上，在地球上，因为地球的引力场作用，同样会出现时间膨胀的效应，随着海拔不同，时间流逝的速度也是不一样的，GPS定位系统就必须通过广义相对论对此进行修订。只不过因为地球的引力场相比于黑洞太微弱，普通人完全感受不到这样的差别。在黑洞附近，引力场极强的条件下，时间的流逝显著减缓，这样才能达到诺兰导演所需要的在米勒行星上停留一小时，地球上已经过了7年的“沧海桑田”的电影效果。

除了黑洞造成的时间膨胀的效应外，还必须要考虑其他更为现实的因素。在一个静止的黑洞附近，如果想达到时间膨胀了6万倍这样显著的效应，根据计算，米勒行星必须贴着黑洞的视界运转。在这种危险的区域运行，且不说米勒行星很可能会被黑洞的吸积盘所摧毁，它还会感受到巨大的潮汐力。因为距离黑洞太近，所以行星的近远两端感受到的黑洞引力完全不同，这相当于对行星进行了巨大的拉扯。在一个巨型黑洞的视界附近，这种力量会轻而易举摧毁一个行星，使行星表面的水分因为摩擦而变热蒸发，行星自身也就成为灰尘。

巨大的潮汐力与强烈的时间膨胀现象形成了一对悖论，导演需要一个在黑洞附近能够稳定存在的行星，但又不会被潮汐力所摧毁。在这种情况下，索恩通过计算，发现只有让这个相当于1亿个太阳质量的黑洞进行快速自旋，利用引力锁定米勒行星，才可能同时满足这个条件，这其实也是索恩自己的研究成果。索恩发现，电影中所需要的卡冈图雅黑洞自转的速度，恰好在黑洞自转的极限范围之内，这样，米勒行星在理论上就可以稳定地存在，而且它表面上每一个小时一次的巨大水浪可能就是由有限的潮汐力，或是潮汐力造成的行星地震所引发的了。

引力弹弓

与在野外驾车出行一样，进行太空旅行时人们最需要担心的就是，飞船燃料不够了该怎么办。在电影中，库珀等人驾驶飞船探寻卡冈图雅黑洞附近的三个行星，旅行途中还发生了意外爆炸，他们必须随时注意节省燃料。更何况米勒行星在黑洞附近的运行速度超过光速的一半，要想在米勒行星上着陆，飞船也必须要达到同等的速度才行。考虑到飞船此前花了两年时间才从地球到土星，利用自身的动力系统，无论如何也不可能达到这个速度。所幸在黑洞附近，他们非常熟练地运用了引力弹弓手段，首先利用一个围绕着卡冈图雅黑洞运行的小黑洞的引力进行加速（利用其引力加快自身的速度），接近黑洞和米勒行星。之后再利用附近一颗中子星的引力场进行减速，进而与米勒行星实现同步，才实现着陆。

电影中通过引力弹弓手段达到接近光速的速度固然只可能出现在科幻电影中，但是实际上，人类的航天器利用天体引力进行加速或减速的引力弹弓手段并不罕见。美国航空航天局（NASA）在1997年发射的“卡西尼—惠更斯号”航天器为了节省燃料，就曾经利用木星的引力进行加速，快到达目的地时，又利用距离土星最近的一个卫星引力场进行减速，完成探测土星的任务。只不过是，在实际中利用行星或是卫星的引力进行的加速或是减速的效果远远不如电影中利用黑洞或是中子星的引力改变自身速度的效果显著了。

多出来的维度

在电影的高潮部分，诺兰导演又一次运用了一个此前曾经被使用过无数次的经典电影桥段：主角库珀驾驶着飞船中的着陆器纵身一跃，与飞船里的机器人TARS先后跳进了卡冈图雅黑洞的视界以内，把女主角推回到了一个安全区域，而库珀则踏上了死亡之路，注定无法再逃出黑洞。

量子力学和广义相对论都诞生于20世纪初，经过了100年的发展，这两个学科已经成为当代物理学的两个支柱。量子力学主要是描述在极小的微观领域内物质的运动规律，而广义相对论则是描述在极大尺度，或是物质密度极高的条件下，物质和时空的相互作用规则。在20世纪中期，物理学家们就已经意识到了，广义相对论和量子力学彼此间不能相互协调。这两种理论所主宰的领域并不相同，但是试图把它们融合在一起，形成一个大统一理论的尝试至今为止全都失败了。当今物理学的“圣杯”，所有当代物理学家的最终追求，就是获得一种融合了这两种理论的“量子引力理论”。如何才能获得这种理论？物理学家们认为，在这两种理论同时起作用的领域内进行真正的观测，获得数据，就有可能得到启发。

库珀和TARS纵身一跃，终于获得了这种物理学家们梦寐以求的机会，而TARS也抓住机会，迅速获得了观测数据，这是融合两种理论、建立完整的量子引力理论的关键。而就当库珀做好牺牲的准备时，他和TARS一起进入了一个“超立方体”，在这个高级生命为了拯救他们而特地放置在黑洞中的超立方体中，时间维度对库珀打开了。

人们生活在三维空间中，而后相对论结合了时空，把时间变成了一个特殊的维度。人们在空间中可以自由游走，而时间维度的特殊之处在于，根据狭义相对论，尽管在不同情况下可能彼此前进的速度不同，人们在时间维度中都只能前进而无法后退，也就是说，人们无法“回到过去”。但是，空间除了前后、上下、左右三个维度外，还有没有其他维度？此前物理学家们并不相信，认为更高的维度只能是数学游戏而已。在1984年，两位物理学家迈克尔·格林（Michael Green）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）在进行量子引力理论研究时发现，在更高的维度数中，量子力学和广义相对论有可能相互融合，这个理论发现开启了一个如今在理论物理学领域炙手可热的研究领域——弦论。在弦论中，除了一个时间维度外，空间实际上存在有9个维度，人们只能感觉到其中的3个维度，而另外6个维度在卷曲起来中，使引力不至于发散得过快，以至于无法形成星系。从此以后，对于更高维度空间的研究不再是数学游戏，而是成为严肃的物理学探索。在电影中，出于视觉效果的考虑，导演并没有展现出多余的6个维度，而只是展现了多出的一个维度，在这个维度中，时间维度也展开了，库珀看到了自己和女儿的过去。原来，以前发给自己信息的人就是他自己。

库珀收到了同在超立方体内的TARS传来的量子引力数据，希望把它传给自己的女儿。但是他发现，他在时间维度上，无法与过去的自己相互联系，他只能单方向收到来自过去的信息，他的女儿却听不到自己的叫喊。但是他马上意识到，引力可以穿过各个维度，进行时间旅行，正因为如此，他用力地反复敲击他女儿房间的书架，产生的引力场使书架上的一些书掉落在地上，这正是他女儿长久以来追寻的“鬼”。也就是说，他可以通过引力作用与他的女儿进行联系。他在收到机器人TARS传来的数据后，掌握了如何利用重力与另一个世界联系，进行时间旅行的方法。他敲击表针，利用摩斯代码与女儿联系，终于把在黑洞里取得的量子引力信息传送出去，解决了难题。