在《星際穿越》熱播的這幾天，看過(guò)影片的觀眾們直呼：“腦洞大開(kāi)！”
讓人們腦洞開(kāi)的最大的，應(yīng)該還是影片中關(guān)于物理的那部分知識(shí)。劇中到處充斥著“蟲洞、黑洞、多維空間、時(shí)間膨脹、量子力學(xué)”這些高大上的物理學(xué)和天文學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，讓我們對(duì)物理學(xué)頓時(shí)“心生向往”。對(duì)那些理科生、學(xué)霸們的敬仰，猶如滔滔江水，延綿不絕。
如果你的孩子不喜歡數(shù)理化，那就讓他去看“腦洞大開(kāi)”的《星際穿越》。
1.你以為黑洞真是洞？
《星際穿越》主要講述了一對(duì)探險(xiǎn)家利用他們針對(duì)蟲洞的新發(fā)現(xiàn)，超越人類對(duì)于太空旅行的極限，從而開(kāi)始在廣袤的宇宙進(jìn)行星際航行的故事。
看過(guò)《星際穿越》，小編印象頗深的一句話是：“你以為黑洞真是洞。”
事實(shí)上，黑洞并不是洞，它不是空的，恰恰相反，黑洞是宇宙空間內(nèi)存在的一種超高密度天體，由于類似熱力學(xué)上它是完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界(臨界點(diǎn))內(nèi)，便再無(wú)力逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光(電磁波)也逃逸不出。理論上講，黑洞本是一顆恒星，然而它最終沒(méi)有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個(gè)小小的、不可逃逸的奇點(diǎn)。
《星際穿越》這部電影畫面中呈現(xiàn)的黑洞，是30個(gè)人使用數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)，用一年的時(shí)間，制造出的電影史上最準(zhǔn)確的黑洞模型。他的理論支持者是基普·索恩，他基本上是最偉大的黑洞大師之一。
推薦書籍：《黑洞戰(zhàn)爭(zhēng)》（一本有關(guān)現(xiàn)代物理學(xué)、量子奇異性和恒星命運(yùn)的書）
2.“什么是蟲洞？”
《星際穿越》最熱的關(guān)鍵詞是“蟲洞”。這個(gè)概念并不新鮮，《來(lái)自星星的你》的“都教授”就是通過(guò)蟲洞建立的時(shí)空通道來(lái)到地球的，科幻片《星際迷航》也多次用到這個(gè)理論。
蟲洞又稱愛(ài)因斯坦－羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同時(shí)空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛(ài)因斯坦及納森·羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)的，認(rèn)為透過(guò)蟲洞可以做瞬時(shí)的空間轉(zhuǎn)移或者做時(shí)間旅行。
由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出該理論。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“蟲洞”就是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管。暗物質(zhì)維持著蟲洞出口的敞開(kāi)。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來(lái)，并提供時(shí)間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時(shí)空隧道，所以也叫“灰道”。
舉例來(lái)說(shuō)，可以將一張紙條視作通常的空間，那么從位于紙條一端的一點(diǎn)到位于另一端的一點(diǎn)需要很長(zhǎng)的距離，但是把紙條兩端連接在一起，那么兩點(diǎn)間的距離就很短了。蟲洞的科幻意義巨大，但遺憾的是至今沒(méi)有任何證據(jù)表明蟲洞的存在。
推薦書籍：《黑洞與時(shí)間彎曲》（《星際穿越》影片中黑洞原理的理論來(lái)源，影片指導(dǎo)基普·S·索恩最重要著作）
3.五維空間
在電影《星際穿越》中，連續(xù)探索了兩個(gè)看似適合人類居住的星球之后，庫(kù)珀把補(bǔ)給留給了隊(duì)友，自己再次穿越蟲洞嘗試返回地球，結(jié)果他墜入了一個(gè)奇幻的空間：女兒書房里的書架背后。這個(gè)時(shí)間可以逆轉(zhuǎn)，庫(kù)珀看到了當(dāng)年在這個(gè)房間自己跟女兒告別的情景，但他無(wú)法打破這個(gè)空間，也無(wú)法讓其他人看見(jiàn)、聽(tīng)見(jiàn)自己。這就是一個(gè)五維空間，不同于我們所在的三維空間，五維空間里時(shí)間是如同一座山一樣實(shí)質(zhì)存在的，庫(kù)珀需要告訴女兒如何解開(kāi)五維空間的方程式，能通過(guò)五維空間傳遞的只有重力。于是他用灰塵的重力和手表的指針發(fā)送摩斯電碼，把方程式的答案?jìng)鹘o了長(zhǎng)大后的女兒。
五維空間到底是怎么樣的呢？我們可以運(yùn)用類比來(lái)推斷。在四維空間，三維物體是一切物質(zhì)的組成基礎(chǔ)，而時(shí)間則是整個(gè)四維空間活動(dòng)的基本，沒(méi)有時(shí)間，一切都是靜止的，就和三維空間沒(méi)有區(qū)別。那么在五維空間，四維物體可能就是一切物質(zhì)的組成部分?？赡芙M成五維物體最基本的元素就是一整個(gè)四維空間，在這個(gè)元素中包括我們所有已知的世界。四維空間是五維空間的子集。
推薦書籍：《宇宙的琴弦》
4.奇點(diǎn)
《星際穿越》影片中在飛船駛向黑洞邊界時(shí)多次提到了“奇點(diǎn)”，奇點(diǎn)是時(shí)空中的一點(diǎn)，在該處時(shí)空曲率或其他的物理量都變得無(wú)限大，它具有一系列奇異的性質(zhì)，無(wú)限大的物質(zhì)密度、無(wú)限大的壓力、無(wú)限彎曲的時(shí)空等。
大多科學(xué)家認(rèn)為它是宇宙產(chǎn)生之初，由爆炸而形成宇宙的那一點(diǎn)。它具有所有物質(zhì)的勢(shì)能，而這種勢(shì)能正是由大爆炸而轉(zhuǎn)化為宇宙物質(zhì)的質(zhì)量和能量，我們可以想象，奇點(diǎn)是一種沒(méi)有固定形狀的、沒(méi)有體積的不可思議的存在。
5.時(shí)間膨脹
時(shí)間膨脹貫穿《星際穿越》整個(gè)劇情，電影中主角在進(jìn)入太空后便遇到了時(shí)間膨脹，宇宙中主角們的時(shí)間和地球上的時(shí)間可以用“天上方一日，地上已千年”來(lái)形容，這樣的時(shí)間錯(cuò)亂給電影增加了一絲悲涼和無(wú)奈的氣氛。至于時(shí)間膨脹本身，則是一種物理現(xiàn)象。
在相對(duì)論中，空間和時(shí)間的尺度隨著觀察者速度的改變而改變。例如，向著我們以接近光速速度運(yùn)動(dòng)的一個(gè)時(shí)鐘本身所標(biāo)明的時(shí)間，比另一個(gè)與我們相對(duì)靜止的時(shí)鐘走得慢些。舉個(gè)設(shè)想的例子說(shuō)吧，假如有一個(gè)人一分鐘的心跳是60下，當(dāng)他高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果速度足夠大，他的心跳可能會(huì)變成40下，20下，甚至更慢.因?yàn)殡S速度的增加，他的時(shí)間變慢了。他自身的新陳代謝也隨之變慢。這樣,相對(duì)于他的時(shí)間就發(fā)生了膨脹。
有了時(shí)間膨脹效應(yīng)，人們?cè)谝詷O高速運(yùn)動(dòng)的飛船上時(shí)，盡管外界已經(jīng)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的歲月，自己卻沒(méi)什么老化，因?yàn)闃O大的速度會(huì)使飛船（和里面的所有物體）的時(shí)間減慢。也就是說(shuō)，飛船的時(shí)鐘走了一圈，地球上的時(shí)鐘已經(jīng)轉(zhuǎn)了許多圈了。
推薦書籍：《時(shí)間、空間和萬(wàn)物》
6.與女主人公名字相同的定律：墨菲定律
片中男主角的女兒名為墨菲，而她總在抱怨自己的名字與不吉利的墨菲定律的聯(lián)系。墨菲定律由上世紀(jì)中葉一名美國(guó)空軍工程師愛(ài)德華·墨菲提出，包含四條原則，1.任何事都沒(méi)有表面看起來(lái)那么簡(jiǎn)單；2.所有的事都會(huì)比你預(yù)計(jì)的時(shí)間長(zhǎng)；3.會(huì)出錯(cuò)的事總會(huì)出錯(cuò)；4.如果你擔(dān)心某種情況發(fā)生，那么它就更有可能發(fā)生。（小編總算知道女主人公為什么這么反感這個(gè)名字了）
《星際穿越》的情節(jié)中多次體現(xiàn)了墨菲定律的正確性，但除了把事情搞砸，它也把任務(wù)引向好的方面，最后主角也在墨菲定律的作用下挽救了全人類的生途。從這個(gè)角度來(lái)理解，墨菲定律是一種對(duì)概率的詮釋，本身并不指代吉兇禍福。
7.我們熟識(shí)的“相對(duì)論”
這部片子也用情節(jié)來(lái)解釋了什么叫相對(duì)論。男主角庫(kù)珀到達(dá)第一個(gè)星球，在上面待了幾個(gè)小時(shí)，經(jīng)歷了一起平地而起的巨浪后，回到飛船，非常簡(jiǎn)短的過(guò)程，可等他回到飛船，當(dāng)年的同伴已經(jīng)白了胡子，說(shuō)他已等了他們23年！地球上的女兒也已長(zhǎng)大23歲。片尾庫(kù)珀在太空被救，在太空站醒來(lái)時(shí)已124歲，但看起來(lái)仍像剛出征時(shí)的樣子。
相對(duì)論，對(duì)網(wǎng)友來(lái)說(shuō)認(rèn)知度要高不少，是愛(ài)因斯坦提出來(lái)的，但估計(jì)大家也就只知道這么個(gè)提法。相對(duì)論的基本假設(shè)是相對(duì)性原理，即物理定律與參照系的選擇無(wú)關(guān)。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。
8.引力彈弓
彈弓效應(yīng)是物理名詞，指的是小天體等借助大質(zhì)量天體重力獲得更大動(dòng)能，這個(gè)概念被推廣開(kāi)來(lái)就是借助外界條件讓自己獲得加速度的意思。以宇宙飛船為例，就是借助星球引力使自身加速的原理。利用引力使自己的速度加快，引力越大，速度也就越快。
現(xiàn)在很多的探測(cè)衛(wèi)星都采用彈弓效應(yīng)來(lái)借助星球引力使自己加速，盡可能地節(jié)省燃料，同時(shí)，引力助推既可用于加速飛行器，也能用于降低飛行器速度?？恐@種方式，在星際間彈來(lái)彈去，最后到達(dá)目的地。
看著小編給大家整理的圖文并茂的物理知識(shí)，有沒(méi)有想再去電影院看一遍的沖動(dòng)捏？也許正能讓你醍醐灌頂，開(kāi)啟成為科學(xué)家之路。
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