《星际穿越》的物理学与大国玩法

目前正在上映的美国电影《星际穿越》引起了公众对理论物理学的兴趣。除了熟悉的黑洞，虫洞和五维时空对许多人来说还是陌生的。

为此，记者采访了著名科普作家、中国科学院国家天文台客座研究员卞玉林。

什么是虫洞

卞玉林说，虫洞，也称为“爱因斯坦-罗森桥”，就像黑洞一样，是广义相对论的推论。广义相对论的引力场方程在不同条件下有不同的解。科学家对它们进行物理解释，并推测宇宙中有黑洞、虫洞和其他东西。天文学家已经掌握了大量的证据来证明黑洞的存在，但是迄今为止在宇宙中还没有发现虫洞——尽管它已经出现在许多科幻电影和奇幻电影中，包括《星际穿越》和《来自星星的你》。可以说虫洞是《星战》戏剧中不可或缺的人工制品。

什么是虫洞？例如，一张扁平的纸有两个点A和B，连接这两个点的最短距离是一条直线。有更短的距离吗？当我们卷起这张纸的时候，我们用一支笔刺穿a点，然后用一支笔刺穿b点。只要纸张的卷曲足够大，连接点a和点b的距离可以比平面上的直线距离更短，甚至更短。原因是先前的最短距离是针对二维平面的，而后面的较短距离使用第三维。

这让我们想到了维度的概念。我们生活在三维空间:长度、宽度和高度。一张忽略厚度的纸是二维的，也就是说，它只有长度和宽度，没有高度。假设纸上有一个“二维生物”。他们了解平面几何，知道从A点到B点的最短距离是一条直线。然而，有一天，一只空心笔刺穿了卷曲的纸，连接了点A和点B，这就是二维世界中的虫洞。在“二维生物”发现它之后，它进入空心围栏，从点A到达点B，完成了二维世界的“星际”。

为什么空间会弯曲

那么，四维时空会弯曲吗？根据常识判断，似乎不可能说空间会弯曲。然而，广义相对论告诉我们，大质量物体会导致时空弯曲。再次，以二维平面为类比，假设世界是一个扁平的橡胶膜，把一个大质量的弹丸放在膜上，橡胶膜就会下垂，出现明显的弯曲。当一个原本在胶片上直线运动的高尔夫球到达这个区域时，它会改变轨迹，在一个弯曲的空间中运动。

同样，大质量物体也能导致四维时空的弯曲。质量越大，弯曲程度越大，相关数据可以通过广义相对论的引力场方程来计算。在弯曲时空中，如果有虫洞，人类进入后可能会完成“星际”。在电影中，几名宇航员在虫洞里呆了一小段时间后，乘坐宇宙飞船到达了另一个星系。

有可能回到过去吗

虫洞不仅是星际中的管道，也是“时间隧道”。实验证明，在强引力场或高速运动下，时间的流逝会变慢。卞玉林解释说，如果A点和B点相距20光年，一个人从A点到达B点需要一年的时间，那么他的速度比光速还快。它比光走得更快，使人们能够“赶上”过去的事情，看到过去的事情，也就是回到过去。

卞玉林说，自然界是否存在虫洞还没有被科学界确定，至少目前还没有发现虫洞的证据。虫洞能否回到过去也是理论物理学中一个有争议的问题。反对者提出了“祖父悖论”:如果一个人回到过去，在他母亲出生前杀死了他的祖父，并娶了他的祖母，那么他是谁？“回到过去会扰乱因果律，人们相信因果律是世界的普遍规律。《星际穿越》中的主人公看到他的女儿在他还是个孩子的时候和他争论，但他当时无法改变自己的决定，并避免了“祖父悖论”。"

星际争霸

通过对各国航天机构提供的信息进行比较，可以看出美国理所应当成为空间和空间研究与开发和投资最大的国家。

就资本投资而言，美国航天局2013年的预算达到177亿美元，这可能超过中国、欧洲、俄罗斯、日本和印度几个国家航空机构的预算总和。以美国宇航局的航天飞机项目为例。到2011年，它已经花费了1960亿美元，比中国2014年超过1300亿美元的军事预算高出近50%。

美国拥有世界领先的航空航天技术，在全球民用航空航天竞争格局中遥遥领先。据有关统计，美国空间技术的产业化已经创造了超过2万亿美元的巨额利润。

美国拥有世界上最大的航空航天企业(波音公司)、世界第三大航空航天企业(美国联合技术公司)、世界三大航空航天发动机制造商中的两家(通用电气公司和普惠公司)、世界上最大的战斗机制造商(美国洛克希德·马丁公司)等等。

欧洲的航天工业也相当发达。例如，欧洲航空防务集团EADS持有空客100%的股份，是仅次于波音的世界第二大航空防务公司。英国宇航系统公司英国宇航系统公司是世界第五大航天企业，劳斯莱斯是英国公司。它是世界三大航空发动机制造商之一。GKN航空航天公司是世界航空复合材料和金属结构制造的领导者。

此外，意大利芬梅·卡尼卡公司是世界十大航空航天企业集团之一，主要设计和制造飞机、直升机、卫星、导弹系统、雷达等。法国赛峰集团的子公司斯奈克玛公司主要从事飞机动力装置的开发和生产，并承担世界上最大的商业运载火箭阿丽亚娜火箭的设计和开发。该国的特雷兹集团是欧洲最大的作战系统生产集团，阿丽亚娜航天公司是发射地球同步轨道卫星等的世界领导者。

从探测范围来看，人类Ad Astra的最远边界是太阳系的边缘。美国在这方面遥遥领先，深空足迹基本上已经遍布整个太阳系:阿波罗载人登月、尤利西斯、起源探索太阳、深空、星云、轮廓探索彗星、黎明探索小行星、信使探索水星、好奇号登陆火星等。2013年，美国宇航局宣布1977年发射的“旅行者1号”即将离开太阳系。到目前为止，它已经离开地球约177亿公里，相当于46000个地球月。

由于与美国、日本和阿斯特拉的密切合作，这两个亚洲国家的能力相对较强，基本相当于欧洲水平，在梯度上排名第二。日本于2003年发射了“隼鸟”号小行星探测器，成功地对“石川”号小行星进行了采样，并于2010年返回地球，实现了人类首次直接从月球以外的天体获取岩石样本。

中国正在迎头赶上，“嫦娥工程”已经初步实现月球探测，除月球以外的深空探测计划，如“萤火虫一号火星探测”和“夸父太阳监测卫星”也在议程上。

中国的启示:国防与民用技术整合的必由之路

虽然嫦娥九天就登上了月球，但与欧美相比，中国航天工业的规模才刚刚起步。数据显示，中国的航天产业目前仅占世界航天产业收入的3%左右，这与其大国地位极不相符。

军民深度融合是欧美等发达国家对中国航天工业最重要的启示。1993年，美国宣布了“国防转型战略”，其核心是大力发展*，建立军民融合战略。美国国防部设有专门的国防技术转让办公室，负责制定技术转让和两用技术政策。美国宇航局也有一个机制，以较低的价格转让非尖端技术，并将其许多业务外包给私人航天公司。

此前，中国载人航天工程的一名发言人透露，中国的载人航天工程从1992年到2013年花费了390亿元。据我们分析，与2013年12.9万亿的国家财政收入相比，仍有巨大的增长空间。