《星际穿越》物理学：黑洞是什么样子的？

从理论上讲，黑洞是一颗恒星，但它最终并没有熄灭或爆炸，而是像塌缩的蛋奶酥一样塌缩成一个不可避免的小奇点。一个光轮围绕着内部的球形漩涡旋转，这个漩涡看起来从上面和下面都是弯曲的。

电影中显示的“黑洞”图像。为什么黑洞看起来像这样？资料来源:wired.com

但是这一切都很自然，因为黑洞附近经常发生奇怪的事情。例如，黑洞的引力如此之大，以至于扭曲了宇宙的结构。爱因斯坦解释道:物体的质量越大，引力越大。恒星和黑洞等物体会产生巨大的引力，导致光线弯曲和时空扭曲。更令人惊讶的是，如果你比我更接近黑洞，我们对时间和空间的感觉将会不同。相对来说，我的时间会过得更快。

索恩从这个模型中看到了什么？作为一名天体物理学家，他的数学知识导致了这种迷人的视觉效果的诞生——有史以来最精确的黑洞外观模型。同时，这种模型仍然是30个人和数千台计算机一年的工作成果。此外，这个黑洞还与星光熠熠的一群好莱坞明星有关——马修·麦康纳、安妮·海瑟薇、杰西卡·查斯坦、比尔·欧文和卡西·阿弗莱克。约翰·利特戈——因为这个黑洞模型是电影《星际穿越》的核心——星际穿越是一部由克里斯托弗·诺兰执导的太空旅行史诗，于11月7日在北美上映。索恩从这个模型中看到了真相。诺兰，一位技艺高超的图像制作人，看到了美。黑洞，即使是虚构的，也会让人感觉扭曲。

索恩在1972年。美国电话电报服务公司/*

索恩不是你通常看到的普通天体物理学家。事实上，他是一位非常著名的理论家，但在2009年从加州理工学院退休之前，他已经对向公众解释令人揪心的相对论感兴趣了。临近退休时，索恩和制片人琳达·奥布斯特)——当卡尔·萨根为他们安排相亲时，索恩和琳达已经认识30年了——正在讨论是否要拍一部关于黑洞和虫洞神秘本质的电影。不久之后，史蒂文·斯皮尔伯格签署了执导这部电影的合同，编剧乔纳森·诺兰写了一个剧本。然而，斯皮尔伯格最终退出了，乔纳森的兄弟，导演克里斯托弗·诺兰，谁是著名的他的头晕电影，如“纪念品森”和“盗梦空间”，接管了。在重写他哥哥的剧本时，克里斯托弗·诺兰想要理解故事核心的科学内容。于是，克里斯托弗·诺兰开始和索恩见面。

在2013年的前几个月，索恩和诺兰讨论了物理学家所说的“宇宙扭曲的一面”，比如弯曲的时空、现实世界中的间隙以及重力如何弯曲光线。"可以说，这个故事已经完全变成了克里斯托弗和乔纳森的故事."索恩说，“然而，故事的本质，制作一部从一开始就嵌入科学的电影的目标，以及其中伟大的科学都被保留了下来。

电影制作人构思的故事设定在一个反乌托邦的近期:食物不会生长，人类将濒临灭绝。一名退休宇航员(麦康纳)已被招募执行他的最后一次任务。绝望的任务是找到另一个能让人类生存和复苏的星系。

问题是这样的。其他恒星离地球如此之远，要到达最近的恒星至少需要几十年的时间，而我们甚至不知道如何达到几十年后到达目的地的速度。然而，早在1983年，当卡尔·萨根为他的小说(后来被拍成电影《超级时空接触》)寻找一个可行的解决方案时，索恩建议他使用虫洞——宇宙中一个想象的裂缝，它将两个遥远的点与四维时空之外的更高维度连接起来。所以对于星际来说，虫洞也是最好的选择。当索恩和诺兰讨论这部电影时，关于虫洞物理特性的讨论不可避免地向电影制作人提出了一个问题:如何在屏幕上显示虫洞？

这并不是唯一让特效团队担心的物理现象。诺兰的故事依赖于时间膨胀:不同的人物有不同的时间。为了让这在科学上看似合理，索恩告诉诺兰，他需要一个巨大的黑洞——电影中的黑洞叫做“巨型黑洞”——而且黑洞应该以接近光速的速度旋转。作为一名电影制作人，诺兰不知道如何让这些东西显得真实。但是他知道谁能帮助他达到这个效果。“克里斯打电话给我，说他会派人来我家讨论视觉效果，”索恩说。“我回答，‘当然，请他到这里来。”“不久，保罗·富兰克林来到了索恩的家。

富兰克林知道他的电脑总能满足他的任何要求，这既是一个问题，也是一种诱惑。“我们很容易掉入陷阱，打破现实法则，”获得奥斯卡最佳效果的视觉特效工作室双负的高级导演说。"这些法律相当严格。"

因此，他要求索恩写一些公式，以便他们的特效软件能够根据物理定律反映真实世界。他们从虫洞开始。如果光改变了它在虫洞周围的经典规则——直线传播，会发生什么？你如何用数学描述这一点？

黑洞扭曲光示意图。照片来源:kipsthorne

索恩对富兰克林的回答是一份深入的备忘录。这份备忘录很长，充满了引用来源，充满了方程式，看起来更像是科学杂志上的一篇论文。富兰克林的团队基于这些公式编写了新的渲染软件，然后制作了虫洞。效果太棒了。这个虫洞就像一个反映宇宙的水晶球，一个时空的洞。“科幻小说总是喜欢把事情变得荒诞不经。似乎普通的宇宙不能满足他们，”富兰克林说。"我们直接从这个软件中得到的结果已经令人难忘了."

虫洞的成功使得特效团队大胆地用同样的方法制造黑洞。但是看这个名字，黑洞是光的杀手。电影制作人经常使用一种叫做光线追踪的技术来渲染图像的光线和反射效果。“然而，光线追踪软件使用了一个普遍合理的假设，即光是以直线传播的，”计算机图形学主管“双重否定”欧也妮·冯·通泽尔曼解释道因为黑洞遵循完全不同的物理定律，“我们只能写一个全新的渲染器。”

有些单帧需要100个小时来渲染，引力透镜的爱因斯坦效应造成的小曲率使得计算非常繁重。最终，这部电影占据了将近800兆字节的数据。冯滕塞尔曼说，“我也担心这次我们可能会突破1 PB的数据大关。”

“克里斯托弗想让我们向观众传达黑洞是球形的，”富兰克林说。“我告诉他，‘你知道，它看起来像一个圆盘。’你唯一能看到的是它是如何变直的。从那以后，富兰克林开始阅读积累盘的内容。吸积盘是一团物质，它们凝结在一起，围绕着黑洞旋转。富兰克林发现他可以用这个碎石圈来确定黑洞的外观。

冯·滕·塞尔曼做了一个巧妙的演示。她创造了一个多色平面环来代表吸积盘，然后把它放在旋转的黑洞周围。一些非常非常奇怪的事情发生了。“我们发现黑洞周围扭曲的时空也会弯曲吸积盘，”富兰克林说。“因此，吸积盘并不像土星环那样围绕着一个黑球。相反，光的弯曲会产生如此奇特的光晕。”

电影中吸积盘的形象。资料来源:gq-magazine.co.uk

这就是为什么索恩第一次看到黑洞的最终效果时感到“应该是这样的”。双负团队开始认为渲染器中一定有错误导致了这种效果，但是索恩意识到他们已经正确地建立了一个符合他给出的数学公式的现象模型。

尽管如此，没有人会知道黑洞到底是什么样子的——除非他们真的建造了一个。黑洞周围被吸进但逃脱捕捉的光线显示了黑洞阴影附近一张出乎意料的复杂特征图。发光吸积盘出现在黑洞的上方、下方和前方。“我从来没有想到结果会是这样，”索恩说。“欧也妮做了这个模型，然后说，‘嘿，我知道了。’这真的很棒。"

最后，诺兰得到了一个美丽的形象，升华了故事，而索恩得到了一部电影，可以让大量观众学习一些真实和准确的科学知识。但是索恩也得到一些意想不到的结果:一个科学发现。“这是我们的观察数据。”他这样描述这部电影的效果，“当然是这样。句号。”索恩说他至少可以发表两篇文章。

根据索恩的公式，特技人员建造了一个黑洞模型，黑洞周围的光线呈现出一种奇怪的景象。

来源:星际

当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容——黑洞的碰撞、旋转恒星引起的时空运动和时间的弯曲——他会使用很多类比，比如比较两个龙卷风相遇，或者比较光线弯曲的风格。然而，类比也能欺骗人们的眼睛，使人们认为他们理解了某种东西的原理，但实际上只理解了这种东西的外观。但是索恩的带有光环的旋转黑洞并不仅仅是一个涉及膨胀星系的虫洞的类比。看过这些照片——虫洞、黑洞、奇怪的光——绝大多数“星际”观众会想，“哇，真漂亮。”索恩看着这些照片，会想，“哇，那是真的。”在某种程度上，他也认为它们非常漂亮。