源：坏孩子 翻译/校对/压制：Alexren 发布：NB科学
人类是天生的探险家
寻找未知的疆域
探索未知
丈量地球上的每一寸土地
在月球上留下足迹
但踏上未知的星球
飞越属于我们的太阳系
这还是未来的梦想
但梦想实现了
就在科幻影片《星际穿越》中
不能站在个人角度，而要站在种群角度考虑问题
我们必须面对星际旅行的现实
《星际穿越》讲述了探索新世界和人类命运的新命题
听起来像科幻？
也许
但这部片子却是建立在实实在在的科学理论上的
这一切归功于著名天文学家开普.索恩
在星际穿越的不同之处在于
科学理论贯穿始终
确实有一些让人脑洞大开的情节
除了科幻和想象，还有科学
《星际穿越》中的科学
太空旅行是电影工业一开始就有的题材
但科幻影片《星际穿越》独树一帜
它受到了科学家开普.索恩的启发
天文物理学权威
引力波理论
弯曲时空论
也是影片的执行制片人
在《星际穿越》
科学理论贯彻影片始终
影片的其他参与人非常尊重科学
他们和我一起将科学完美结合到影片中
你能告诉我，奇点的最通俗解释是什么？
我尽量使自己沉浸在科学之中
尽量用采用最新的科学思维和视角
更新自己的固有观念
通俗说来就是时空的弯曲程度达到极大
是这样，好
我们希望开普和诺兰的工作能够启发观众
与其完全依赖想象和虚构来展示未来星际旅行
为什么不向科学寻求答案？
印度间谍无人机
星际的场景设定在地球环境威胁人类生存的未来
我希望你告诉我这一切是为了拯救世界
我们没打算拯救世界
我们打算离开它
这个电影探索的一个主题是
如果灾难发生，我们是应该待在地球
还是，另寻出路
我们来了
在影片中，小组在寻找新的家园
一个可以维持生命的星球
人类的生命
能做到吗？
你可以
听起来像未来的故事
但寻找另外一个地球的使命现在已经开始
天文物理学家娜塔莉.波大莉亚 是一个热心的行星猎手
如果想完全理解我们所在的星系
就是观察更广泛的图景
理解所有行星的多样性
二三十年前
人类还不知道有围绕其他恒星运行的行星
娜塔莉正在帮助重写历史
她是NASA开普勒天文望远镜计划的科学家
开普勒的目标非常简单
就是在银河系中寻找适宜生命生存的类地星球
行星需满足什么条件才能适宜生存？
其中一个最基本的条件是必须存在液态水
所以我们寻找那些可以容纳液体的岩石星球
从恒星中吸收适量的能量
水不至于被冻结
水也不至于被完全蒸发掉
我们称之为金锁带，这里容许液态水的存在
2009年发射
开普勒在四年内紧盯着银河系的一小块
相对于恒星，行星太小很难被发现
但人们可以观察到它们的影子
每个围绕恒星运动的行星都会留下阴影
开普勒就是利用这一现象
等待着行星运行到恒星和望远镜之间
使恒星的亮度变弱
这个简单的方法发现了数千个系外行星
银河系中围绕其他恒星运动的行星
到目前为止就我们所知
几乎每个恒星都至少有一个相应的行星
太空中有多种多样的行星
我们发现了非常奇异的行星世界
200光年外
有一个土星大小的行星围绕着不是一个而是两个恒星
如果你生活在这个开普勒16b行星
你能看见两个太阳从东方升起西方落下
在围绕彼此运动时不断改变着姿势
这个根据观测推测的开普勒10b行星的外貌
相对于其恒星比水星离太阳还近23倍
所以面向恒星的一面被辐射不断的轰炸
表面温度高到可以融化铁
行星有一个比太平洋还大的海洋
但里面不是水
而是熔融的岩浆
我们正在向目的地出发
开普勒发现了一个可能的第二家园
这是开普勒186行星系统
5颗行星围绕着这个M型恒星
最外面的一颗行星是开普勒186f
我们发现的第一颗在普通恒星金锁区的行星
当我想到开普勒186f
我想象它就是一个真实的存在
因为它确实是一个真实的存在
我们知道它可能是岩石行星
和地球一般大
所以有着固态的外表
现在还不知道是否有液态海洋
但不妨想象一个
你不自觉的想亲近这个世界
这里确实有一个非常类似地球的地方
那么，我么什么时候扬帆向这些未知海岸进发？
现实是
开普勒186f离地球3万万亿英里远
简单说来
500光年远
就算以光速也需要500年才能到达
但没什么物体能够赶上光的速度
我们最好的航天器速度也比光速低上千倍
甚至《星际》中的飞船也速度也差的很远
那么它们是怎样到达太阳系外的新世界？
这就需要时空来点弯曲了
《星际穿越》中的科学
你不知道什么时候回来？
你能说你是在拯救世界吗？
不
我会回来的
我们到远处旅行的时候
我们不只穿梭于空间
还有时间
我们在向未来移动
直到上个世纪
科学家还认为时间和空间完全不相干
理论物理学家约翰.开罗
解释了阿尔伯特.爱因斯坦如何扭转了这个观念
爱因斯坦的一个深刻发现是
时间和空间彼此相关
这里是时间，那里是空间
爱因斯坦说，他们是一回事
这就是时空
时空这玩意并不是运动发生的舞台
它本身就是主角
时空可以变化，可以运动可以弯曲
爱因斯坦相对论指出
时空就像是可伸缩的纤维层
运行在其中的物体太阳，行星甚至我们
将这个纤维层扭曲
扭曲的结果就是我们所说的引力
物质质量越大，对时空扭曲越厉害
引力也越大
我们能感受到引力
但时空的弯曲却是不感官能感受到的
但它引起的现象却可以被测量
就如约翰的示意
引力越大，时间流逝越慢
例如，如果我在底层
带一个超级准的原子钟
我的双胞胎在楼顶层
也带一个超级原子钟
如果过一段时间我们两个对下表
会发现我的表会慢上几秒钟
在底层，约翰比它的顶楼兄弟感受到更多的引力
它会经历更少的时间流逝
这种差别非常小，但真实存在
并有着实际的应用
例如，GPS全球定位系统
在其上安装有着非常精确的时钟
卫星所在的引力场和我们所处的引力场有差别
所以地球表面的时间和卫星时间会不一样
了解这一点对卫星精确工作至关重要
卫星上的时钟比地面时钟每天快38微秒
GPS系统计算机自动矫正这一差别
运动也会影响我们对时空的感受
简单说来，静止不动可以经历更多的时间
到处运动做各种事情将会缩短时间
就像是约翰开车旅行
它的双胞胎兄弟坐在公园长椅上
如果你开车旅行回来
和留在原处的人相比
你的手表将比原地不动的人走更少的时间
但我们日常运动速度太慢，难以观察到其差别
但如果一旦约翰以接近光速旅行
在美国转一圈再回来
一秒就经历数百万倍的日常经历
留下的兄弟需要数小时等待约翰回来
约翰相对于它兄弟旅行到未来
这就意味着
当我们建造更快的飞船时，事情会变得复杂
速度越接近光速
我们和留下人的时间就会变得越来越不一致
但时空的弯曲也可能为星际旅行制造捷径
虫洞
它们是科幻的热点
但也有科学的理论基础
时空弯曲受爱因斯坦的相对论支配
根据理论，虫洞可能存在
这一切开始于1916年
虫洞是时空弯曲的一种形式
就像是在时空的不同部分架设一个管道
简单解释是
如果你是生活在苹果表面的蚂蚁
苹果的表面就是你的整个宇宙
你可以围绕苹果表面的整个宇宙运动
你也可以穿越虫洞
但爱氏的理论确实可以推导出虫洞的存在
尺寸可能不到一个原子大小
开启和闭合只有不到数分之一秒
理论上，要保持虫洞的敞开
而且大到能容纳一艘飞船
理论显示，要保持虫洞的开启
不至于在飞船穿越的时候塌陷
必须有负能量和复质量参与其中
爱氏理论认为能量和质量是等效的
我们所知的所有物体都有正质量和引力
负质量的物质能产生负引力
可以支撑虫洞的表面使其不至于塌缩
也许听起来奇怪，但是负能量确实存在
只在实验室中产生
数量也极少
要想形成一个能够通过飞船的虫洞
需要大量的这种物质
但也许将来的工程师能够克服这一难题
今天这还是一个理论猜想
虫洞可能在宇宙中存在
但我们还远不确定
问题是我们还知道的不够多
我们对物理理解还不足以解决虫洞存在的问题
但既然虫洞不是不可能
对电影业来说不妨采用一下
故事将焦点对准一个普通家庭
它的成员将成为体验太空奇异特性的先驱
特别是虫洞
依此，我们可以穿越到遥远的星系
要制造一个符合科学理论的虫洞
视觉特效指导保罗.富兰克林向开普.索恩求助
一般认为，虫洞就是宇宙中的一个大洞
有着看不见的表面
物质就像水流进水槽消失不见
但通过和索恩的对话
当我们把这种经典虫洞科幻图像拿给索恩时
他说这些都错了，事情并不是这样
开普求解虫洞方程
将结果送给保罗在伦敦的动画小组
我为电影制作了一个虫洞的数学模型
依据爱因斯坦的引力理论
保罗，开普和我三人不断讨论
我们完全按照理论计算的结果进行模拟
保罗的团队对这一按最新思想做出的模拟非常兴奋
虫洞是一个三维的空间的洞
将一个二维环旋转就得到一个三维的球
所以虫洞就像是宇宙中的水晶球
可能以前从没有人做过这方面的视觉模拟
这个是独一无二的
对我来说是第一次
对你也一样
确实没错
在《星际穿越》中
太空小组驾驶飞船一头扎进虫洞
现在不是考虑家庭的时候
你得思考更大的事
我在想着我的家庭，还有数百万其他家庭
穿过虫洞以后
小组遭遇到宇宙中最为古怪的物体
黑洞
《星际穿越》中的科学
在地球看来
星空看起来是一个平静的所在
但一旦用最先进的望远镜看去
就能观察到宇宙狂暴的另一面
星系碰撞
宇宙尘埃和喷涌的辐射
恒星爆发然后死亡
对于电影制作人
宇宙是充满更为多样的可能
当你在讲一个人和宇宙的故事时
在通往星际的旅途中
关键是能够将危险视觉化
因为人们熟悉的环境
在太空的奇异空间都变得非比寻常
让人不得不一切重新开始
太空小组的一个巨大挑战是驾驶飞船飞过黑洞
黑洞由爱因斯坦的方程推导出
物理学家也在质疑它是否存在
黑洞是一个奇异巨兽
如果这是一个黑洞
它将不会有这个橡胶表面
它的表面是由弯曲时空的虚无构成
这里引力如此强
任何物体落入黑洞都有去无回
你没法将信息传递出来
光也难以逃逸
你可能会问，黑洞是怎么产生的？
在太空中，大量的质量聚集在一起
如一个超重恒星
引力一直增加
直到内部的压力无法平衡
恒星爆发了
有些物质被炸飞
有些留了下来形成黑洞
绕轴旋转的黑洞拉扯着周围的时空
形成一个漩涡流
将周围的恒星和行星拉入轨道
更近的地方，引力增加形成引力潮
在称为黑洞视界的边界
引力如此巨大
任何物体都会被拉向黑洞中心
消失无踪
黑洞其实很简单（黑洞无毛定理）
但却有很多个性
就像是具有各自独特的个性一样
有些黑洞像是挑食的食客
有些有暴躁的脾气
这一切取决于黑洞如何与周围物质相互作用
UCLA天文学家安吉拉.盖茨是黑洞发现专家
她研究的课题是一个科学难题
就是银河系中心的黑洞
天文学家知道银河系中心有无数气体尘埃和星星
有一个强大的力量之源牵引着这些物质
有可能是黑洞吗？
地面天文望远镜无法看清这一区域
自适应光学技术的发展大大提高了成像水平
这里是运用这种技术之前的图像
是一片模糊的图像
打开自适应光学后可以看到
每个点代表一颗星星
安吉拉将这项技术安装到夏威夷凯克天文台
这是星星地图
她和团队在追踪着银河系中心的星星
这就是银河系的中心
我们在1995年第一次取得数据
1996年又收集了第二次数据
有了两个图片，你就可以做对比
安吉拉想发现这些星星是否围绕单一引力源运动
但星星旋转的周期可能需要数年
重要的是坚持不断
在2006年我们终于看到了星星的轨道
黑洞引力使这些星星的轨道发生弯曲
可以精确的看到这些弯曲
一年接一年
安吉拉积累着案例
这个动画是是以20年观测数据得到的结果
它显示，确实有一个黑洞
并推算出它的质量
安吉拉的辛勤工作揭示了一个宇宙巨兽
有一个太阳质量4亿倍的超级黑洞
就在银河系中心
今天的科学家用新的工具发现黑洞
加州理工天文物理学家毕欧娜.黑尔森
用新星系统观测天空
一个在高能X射线范围观测宇宙的装置
黑洞不会发光
但当气体和尘埃落向黑洞时
在这个过程中不断发热
并释放X射线
新星系统观测到了黑洞吞噬周围物质的现象
望远镜发现宇宙中到处都有这种现象
十多年前，人们认为黑洞很稀有
现在我们知道
每个类似银河系的星系都有一个巨型黑洞
从前的引发人们好奇的天体
变成宇宙最基础的组成部分
那么地球会被黑洞吞噬吗？
虽然宇宙布满了黑洞
我们却不用担心其危险
黑洞吞噬地球是一个流传很广的谬论
并没有什么吞噬，一切只是引力
只有你特别靠近黑洞时
有一个区域光甚至不能逃逸
地球不会面临这样的问题
但如果飞船飞得太近会如何？
如果宇航员一头扎近黑洞会发生什么？
简单解释是
就像是很多书中写得那样
你会被拉力从头拉到脚
同时受到潮汐力的挤压
变成意大利面
你被黑洞拉成一根面条然后被摧毁
这就是标准答案
真相是
我们所知道的物理定律在黑洞中心完全失效
物理学家仍在研究其中发生的过程
《星际穿越》中的物理都是非常普通和容易理解的
有一些是我们的理论推测
我们确定但也不是100%的确定
这些确实是人类理解的最前沿
在这些前沿之外，你就不得不做一些推测
《星际穿越》尽可能的与科学保持一致
但在理论与现实的灰色区域则尽可能发掘
尽可能的将宇宙表现的有血有肉
《星际穿越》中的科学
在《星际穿越》
地面望远镜首先发现了虫洞
它展示了引力的异常
扭曲了太空的图像
当我刚开始和诺兰合作的时候
他认为虫洞只有很微小的引力
我们讨论需要多大的虫洞
最后达成一致
它对时空扭曲只要能在地球上观察到就可以了
开普.索恩算出了这样虫洞需要的引力
运用爱因斯坦的广义相对论
就像前面所讲的
物质会扭曲时间和空间
从而产生引力
它同时预言，当物体运动时会产生脉冲
像水波一样在时空中传递
这些引力波
目前还没有被发现
这个效应微小很难被发现
除非是由大规模的剧烈运动产生
例如，宇宙的诞生
物理学家建立了宇宙大爆炸学说
因为天文学家观测到宇宙在膨胀
星系如同发酵面包上的葡萄干一样彼此远离
这意味着在过去，宇宙要比现在小的多
如果把宇宙故事倒放
在过去，一切都离的比较近
将这一思想带入到爱因斯坦方程
就得到一个时间
现在计算的结果是140亿年前
所有的物质重合在一起
宇宙密度无限大
然后强大的力量驱使空间本身扩张
扩展速度比光速还快
这就是宇宙暴涨理论
理论表明，暴涨伴着空间的波动
被逐渐放大加强
形成引力波
在宇宙的时空结构中留下涟漪
如果现在能观测到这些引力波
就可以理解大爆炸是如何开始的
问题是如何测量
所以我们提出并实施了这个非常特殊的实验
我的一位同事称之为野性追寻
加州理工的物理学家吉米.鲍克斯
从事实验宇宙学研究
实验宇宙学是建立能探索时间起始的实验
这个实验的焦点是宇宙中最古老的光源
大爆炸遗留的残像
物理学家测绘了整个宇宙的微波背景辐射
如果宇宙诞生时产生了这些引力波
它们会将这些残余光弯曲
使其产生极化，向不同的方向弯曲
如果能测量这种弯曲
发现其中的规律
找到漩涡图形就意味着引力波发现
吉米和他的团队制造了极其精密的望远镜
在有着纯净天空的南极安放
南极是可以进行测量的离太空最近的区域
8年间，小组的望远镜扫视着天空的一片区域
测量极小的微波背景辐射温度波动
得到了这些图像
从结果看，我们得到了这些漩涡状的极化图案
和引力波理论的语言一致
他们并没有看到早期的引力波
但得到的极化图像符合甚至超过预期
它告诉了大爆炸发生后万万万分之一秒的情形
就像是看到了宇宙的创生
但这个结果还需要其他实验佐证
如果实验结果能够经受考验
将是爱因斯坦预言引力波的第一次验证
思考宇宙，时空常令人感到渺小
也许最好的办法是降低视角，脚踏实地
将焦点对准地球
但长远看来，人类无从选择
《星际穿越》展示了一个灰色的地球未来图景
只有一个解决办法
告诉我你们是在拯救地球
我们没打算拯救地球
我们打算离开它
《星际穿越》中的科学
这个蓝色绿洲是我们所知唯一支持生命的地方
但生机也可能转瞬即逝
2013年2月15号
一个比太阳还耀眼的彗星冲向西伯利亚
这是一个65英尺直径的岩石
当它在空中燃烧的时候
释放了20倍广岛原子弹的能量
虽然无人死亡
但数千人受伤
小行星以前就撞击过地球
6500万年前
一个直径6英里的小行星灭绝了1半的地球生物
包括我们熟悉的恐龙
类似的甚至更惨烈的撞击随时可能发生
将蓝色星球变成一块死寂的岩石
另一个地球的最大威胁是我们自己
最坏的情况
地球可能不能承受生命之重
数十亿年后
太阳将会进入死亡膨胀
地球将被烤焦
但幸运的是，不同于恐龙
我们可以离开地球
今天已有600多人到过太空
在航天飞机时代
玛莎.埃文斯曾五次到达太空
在肯尼迪太空游览中心
它和老朋友再度相逢
看到亚特兰蒂斯静静的躺在这
有一种超现实的感觉
我曾经搭载这艘飞船飞向太空
到现在仍然难以置信
令我欣慰的是
人们仍然对此感到新奇和惊叹
对人类能登上太空感到欣喜
对玛莎来说
每次升空都是一次惊心动魄的冒险
抬头看去
黑黝黝的天空下蓝色星球闪耀
你意识到你已经不在地球上了
每个飞过太空的航天员都说过类似的话
当你巡视地球的时候
你看不到各个国家的分界线
那些将地球分裂的高墙，纷争
看起来都不值一提
从那个角度看
对我而言
太空旅行太空探索一直代表着最前沿
这是人类的一种极致体验
特别是发现新的世界
我记得小时候就有一种特别想飞的冲动
制造不可想象的机器
向着太空冲去
曾激发了一代人的航天飞机最后一次入港
2011年，航天飞机正式退役
他们曾飞行过5亿英里
太空探索需要巨大的资源
只有像NASA这种政府机构才能调动
最近，一些新的玩家入场
我认为我们处在太空时代的曙光中
商业航天飞机将会扮演越来越重要的角色
NASA不会置身事外，它会广泛参与
但这将不再是NASA一手包办的事情
2002年，依兰.马斯克开办了自己的火箭公司
十年后，成为NASA的承包商
spaceX成为第一家向国际空间站运送物资的私人公司
现在，spaceX正在解决新的挑战
开办spaceX是为了革命化太空运输
关键是制造完全可循环使用的火箭
今天的推进系统的问题是
火箭使用一次就会坠入海洋或西伯利亚
你没法重复使用
如果能使火箭顺利降落
并重新投入使用
将会大大降低太空运输的成本
spaceX正在研发一种完全可重复使用的火箭
每一步都使依兰向目标更近一步
在火星建立一个殖民地
这可不是一个小心脏的人能想出来的
想去火星的人
必然爱好探险胜过舒适和安全
火星殖民地可能成为人类的下一个飞跃
如此原始的想法
你必须站在人类的角度，人类在宇宙地位的角度
是待在地球，还是向其他的星系探索
我们会找到一个办法
总有办法
《星际穿越》中的科学
为了制作星际穿越中的太空科技
诺兰走了另一条设计之路
我们舍去了任何装饰性物体
完全从实用角度出发
着眼于未来太空旅行的需要
NASA的太空技术
和太空空间站给我们启发
现在还看不出太空科技能进步到那个程度
可能还需要数十年，甚至更久
才能殖民火星
或建立围绕地球的永久太空站
但全世界的人们都在向着这个梦想迈进
在最近的太空大会
NASA和太空协会举办了未来太空设计竞赛
20人自给自足的太空站
一个开采矿物的月球基地
清扫太空垃圾的太空机器人
这些获奖选手没有一个是博士后
这些都是全世界初高中的学生
说不定其中的某位将来会登陆火星
或发明一个全新的推进系统
或在天文物理学掀起一场革命
激发他们的热情正是《星际穿越》团队的目标
我希望孩子们看到太空探索旅行的可能性
我希望这部片子激发人们对科学的兴趣
也许不一定是这方面的科学
如果人们认为这些想法值得探索
这就很令人激动
科学与科幻结合将埋下未来创造力的种子
探索未知
改造新世界
想象一个更好的世界
我们将会找到答案
就在另一个地平线
天空，星星，月亮和地球启发了我们
向太空进发实在令人激动
我总想知道下一个答案
对我来说，太空就是下一个答案
我们的能力超出我们想象
为了人类的生存，唯一的出路是走向太空
作为一个世界一个星球，我们必须迈出第一步