《星际穿越》中的物理理论

              近日，科幻大片《星际穿越》正在热映。在欣赏精彩科幻镜头的时候，一系列专业名词让很多观影者直呼脑洞大开。虽然，片中所涉及的“虫洞”“黑洞”“高维空间”等专业名词都是物理理论或假设，目前还无法证明是否真实存在。但是，这不妨碍热爱科学的我们想要了解这部影片中所涉及的基本的物理知识。我们就先从相对论说起。
        相对论
        19世纪末，经典时空观与实验出现了矛盾：当时，人们认为光是机械波。按照经典的时空观，如果光是机械波，存在“光的传播介质是什么”和“光速是相对哪个介质而言？”两大疑问。为了解决这两个疑问，科学家设想宇宙中存在一种特殊的介质叫“以太”。通过大量的试验结果表明，“以太”并不存在。也就是说，用任何实验手段都不可能测量到物质的绝对运动，所有的试验都只可能测量到物质相对与物质的相对运动。在这种情况下，科学家们开始寻求新的时空观。于是，相对论诞生。
        相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架，改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“弯曲时空”等全新的概念。
        双生子佯谬
        影片中这些情节也许让人感到不可思议：飞船先到达星球米勒，在米勒上每度过一小时等于地球七年。当众人返回飞船后发现留守的科学家已渡过了23年，胡子已经花白。影片的最后，离开地球91年，124岁的主人公库伯仍是当年离开的年轻模样，而他的女儿却是耄耋老人。
        这里涉及一个十分有趣的物理推论“双生子佯谬”。即假定有一对孪生兄弟，其中一个以接近于光速的速度进行宇宙航行，呆在地球上的兄弟就会认为当他们相遇时，其兄弟比自己年轻。按照相对论，在宇宙飞船上的那位，认为地球以一个与飞船速度相等的速度做反向运动，因此，地球上的兄弟要比他年轻。假定当航行结束，他们相遇，答案却只有一个。在狭义相对论的范围内，这一问题是不能解决的，只有引入广义相对论才会有最后的答案：飞船为了离开地球以及回到地球，都要历经一段加（减）速度时期，历经加速度的那位会更年轻些。广义相对论将引力与加速度等效起来，而在引力场中，生命周期将会慢下来。（见吴国胜《科学的历程》第432页）也许有人会问，照此理论，驶入太空的宇航员生命周期是不是会延缓呢？答案是肯定的，只是衰老速度还没有达到显而易见的程度而已。因此，影片中出现的场景从理论上是可以实现的。
        黑洞
        影片中那个名叫“卡岗图雅”的黑洞无疑是一大亮点。“黑洞”这个耳熟能详的神秘名词到底是什么呢？
        黑洞是空间中有着强大引力的超高密度的天体，假如太阳质量不变，大小却变成乒乓球那样，这就是太阳坍缩成了黑洞。黑洞的特点就是有进无出，即，任何东西都可以掉进黑洞。黑洞外围有一层“事件视界”，任何东西只要过了这个“视界”，都要掉进黑洞。同时，从理论上讲，黑洞具有无穷大的引力，包括光在内的任何东西都不可能从黑洞里逃出来。简单的说，黑洞就是宇宙空间一个引力非常强，强到光都无法逃出来的一个点。但是，物体进入黑洞是非常复杂的一件事，因为黑洞的引力太强了，所以物体才到它附近，就被吸在了一个巨大的绕着黑洞旋转的盘上，这个盘科学家们叫它吸积盘。可以想象，想要进入黑洞是多么困难。显而易见，到目前为止，人类对黑洞的认识只是理论，所以黑洞到底是什么样子，也许正如影片中所言，只有你进去了才知道。
        然而，现代黑洞理论的创始人之一，著名物理学家霍金，今年曾通过论文指出在经典理论中黑洞并不存在，并提出了新的“灰洞”理论，认为物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。
        当然，宇宙世界奥秘无穷，等待着我们人类更多的探索和发现。