《星际穿越》中的物理理论

最近，科幻大片《星际穿越》正在热映。在欣赏精彩的科幻场景的同时，一系列专业术语让许多观众大开眼界。尽管电影中涉及的专业术语“虫洞”、“黑洞”和“高维空间”都是物理理论或假设，但仍然无法证明它们是否真的存在。然而，这并不妨碍那些热爱科学的人想知道这部电影中涉及的基本物理知识。让我们从相对论开始。

相对论

19世纪末，经典的时空观与实验之间存在矛盾:当时，人们认为光是机械波。根据时间和空间的经典观点，如果光是机械波，就有“光的传播媒介是什么”和“光的速度相对于哪种媒介？”两个大问题。为了解决这两个问题，科学家们设想宇宙中有一种特殊的介质叫做“以太”。大量的测试结果表明“以太网”并不存在。换句话说，用任何实验方法都不可能测量物质的绝对运动。所有的实验只能测量物质和物质的相对运动。在这种情况下，科学家们开始寻找新的时间和空间观。结果，相对论诞生了。

相对论是关于时空和重力的基本理论。它主要是由爱因斯坦创立的。根据研究对象的不同，可以分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论讨论在同一直线上运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律，而广义相对论则扩展到有加速度的参照系(非惯性参照系)，并在等效原理的假设下广泛应用于重力场。相对论的诞生彻底改变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”概念，提出了“同步相对论”和“弯曲时空”等全新概念。

孪生悖论

电影中的这些场景可能令人难以置信:宇宙飞船第一次到达米勒星球，在米勒星球上度过的每一个小时相当于在地球上度过了七年。当他们返回宇宙飞船时，他们发现留下来的科学家已经过了23年，他们的胡须已经变白了。1991年，电影结束时，124岁的英雄库珀离开地球时还很年轻，而他的女儿已经80多岁了。

这里有一个非常有趣的物理演绎，“孪生悖论”。假设有一对孪生兄弟，其中一个以接近光速的速度航行，留在地球上的兄弟会认为当他们相遇时，他们的兄弟比他们年轻。根据相对论，宇宙飞船上的人认为地球以与宇宙飞船相同的速度向相反的方向运动，所以他在地球上的兄弟比他年轻。假设他们在航行结束时相遇，但只有一个答案。在狭义相对论的范围内，这个问题是无法解决的。只有引入广义相对论才能有最终的答案:宇宙飞船必须经历一段加速(减速)期才能离开地球并返回地球，而经历加速的人会更年轻。广义相对论将重力等同于加速度，而在重力场中，生命周期会变慢。(见吴国盛的《科学史》，第432页)有些人可能会问，根据这个理论，宇航员进入太空的生命周期会被推迟吗？答案是肯定的，但是老龄化速度还没有达到一个明显的水平。因此，电影中的场景在理论上是可以实现的。

黑洞

电影中的黑洞“卡根图亚”无疑是一个亮点。熟悉而神秘的术语“黑洞”是什么？

黑洞是一种超高密度的天体，在太空中有很强的引力。如果太阳的质量不变，但它的大小变成了一个乒乓球，那么太阳就塌缩成一个黑洞。黑洞的特征是没有入口或出口，也就是说，任何东西都可能落入黑洞。黑洞周围有一层“事件视界”。任何穿过这个“事件视界”的东西都会落入黑洞。与此同时，从理论上讲，黑洞有无限的引力，包括光在内的任何东西都无法逃脱。简而言之，黑洞是空间中的一个点，在这个点上，重力非常强，光无法逃逸。然而，一个物体进入黑洞是非常复杂的，因为黑洞的引力太强，所以物体到达它的附近并被吸引到一个围绕黑洞旋转的巨大圆盘上，科学家称之为吸积盘。人们可以想象进入黑洞有多难。显然，到目前为止，人类对黑洞的理解只是一种理论，所以黑洞到底是什么样子，也许就像电影里说的，只有你进去才能知道。

然而，现代黑洞理论的创始人之一、著名物理学家霍金在今年的论文中指出，黑洞在经典理论中并不存在，并提出了新的“灰洞”理论，认为物质和能量在被黑洞捕获一段时间后会再次释放到宇宙中。

当然，宇宙的奥秘是无穷无尽的，等待着我们人类去探索和发现更多。