物理学一切皆有可能

神人失败了

在接下来的一年里，地球人口将飞速增长。300亿？600亿？我不知道。不管怎样，人们错过了只有60亿元的时代。沙尘暴肆虐，大多数植物被摧毁。植物越来越少，氧气开始变少。再过不到50年，全人类都将在窒息或饥饿中灭绝。

前美国宇航员库珀被召回参加“拉撒路计划”，以拯救人类，在宇宙中寻找一个适合人类生存的星球。他被告知有两个计划:a .将人类转移到过去；只有几百个受精卵被运送到新的星球上，以这种方式“殖民”和延续人类。然而，这样一颗行星离我们很远，所以它们只能穿过超空间的“虫洞”，需要大约10年才能完成数百年的例行旅程。

当宇宙飞船到达第一个目标行星时，宇航员发现不存在适合人类生存的条件。更悲惨的是，他们当时只知道A计划是个骗局。负责该项目的布兰德教授对引力方程没有解，这使得从地球转移人类成为不可能。因此，他们只能飞到第二个目标星球去完成b计划。

新的航行开始了。由于缺乏燃料，库珀把自己当成了反作用力，以相反的方向飞回地球，给布兰德教授的女儿，年轻漂亮的布兰德教授足够的力量到达她的目的地。当他回到地球时，库珀比他的女儿墨菲小，他离开地球时，女儿才10岁，因为他穿越黑洞时的“时钟慢效应”。但是现在他可以看到他的女儿，但是不能在五维空间里交流。忧心忡忡的他已经解决了老品牌的引力方程——计划a可以实现了！

他对家庭和人类的爱最终让他想出了一种方法，将方程的解传递给已经在美国宇航局工作的墨菲。当库珀最终被转移到人类建造的“库珀空间站”时，这个中年人终于在病房里见到了他的大女儿墨菲。在女儿的鼓励下，库珀再次踏上了与正在实施b计划的小布兰德会合的旅程。

这是最近上映的美国科幻电影《星际穿越》中的故事。除了豪华的导演和演员阵容，编剧是这部电影的亮点之一:第一个编剧是世界级的天体物理学家基普？索恩。

索恩也许不是每个人都熟悉，但霍金总是知道——坐在轮椅上的物理大师。索恩是霍金的好朋友和“赌博朋友”。在上个世纪，这两个人有两个“赌注”——天鹅X-1号附近是否有一个黑洞，以及黑洞的信息是否被保存，两者都以霍金的失败而告终。

由这样一位专家来处理剧本，科学内容的全部价值使这部电影成为“硬科幻”。有些人说这部电影“催人泪下，令人动脑”“撕开”，只需再准备几张纸巾；还有“大脑燃烧”，我们必须预习功课。

穿越时空的隧道

“虫洞”是索恩的导师惠勒在1957年首次使用的，尽管该理论早在1935年就由爱因斯坦提出。就像苹果上的虫子，要从苹果的一端到达另一端，它只能沿着苹果表面的弧形路径爬行。正如它是另一种蠕虫一样，它会钻出一个“虫洞”，然后直线到达目的地。更奇怪的是，苹果表面是二维空间(长度和宽度)，而“虫洞”是三维空间(长度、宽度和高度)。

太空旅行怎么样？相对论已经证明空间是弯曲的。只要时间足够长，来自任何行星的光束都会返回到这个行星。因此，当在四维时空(三维空间加上一维时间)中航行时，从行星A到行星B的最短路线是一条弧线。然而，空间曲线并不平滑。如果某处有一个质量极其密集的“黑洞”，就会形成一个漏斗状的凹陷。

假设在行星A旁边有一个黑洞A，在行星B旁边有一个黑洞B，这两个黑洞就像两个飞蛾在一条常规的弧线上“钻”出两个凹陷，最后这两个黑洞连接起来，形成一个五维时空的“虫洞”。

通过“虫洞”的“时间隧道”，原本漫长的旅程几乎变成了瞬间。在电影中，老教授布兰德比喻说:一张白纸上的两点需要一条长直线来连接。如果这张纸成对折叠，使两个点重合，从这一点到那一点只有两张纸厚。

黑洞也是惠勒提出的概念(这个家伙有着奇妙的想法)，尽管理论和实验早在这个概念提出之前就已经存在了。1915年，德国物理学家史瓦西根据相对论推导出“史瓦西半径”。他相信，只要任何天体的质量被压缩在这个半径内，任何物质，甚至是一束从内部或外部进入的光，都无法逃脱。例如，如果地球被压缩成一个直径只有几厘米的小乒乓球，它也会变成一个黑洞。

现在天体物理学理论和实验已经证明，在广阔的宇宙中，有无数质量足够大的恒星。当它们的燃料耗尽时，由于球体中心的强大引力，恒星坍缩到小于史瓦西半径，并变成许多黑洞。已经有很多间接的观察证据来证明黑洞的存在。

爱因斯坦广义相对论的方法论特征是物理学的几何化。几何学用来描述以前用数字表示的物理原理。我们扔的手榴弹变成了抛物线，最后掉到了地上。牛顿力学将其解释为重力现象。爱因斯坦说，这是由于地球质量造成的空间弯曲，手榴弹只走了最短的路。空间的曲率由质量决定。质量越大，曲率越大。

因此，在爱因斯坦看来，空间中的强引力和大曲率是两个等价项。但后一种说法可以解释前一种说法无法解释的现象。例如，在太阳阴影后面的一颗恒星，由于太阳质量造成的空间曲率，它的光会绕着太阳转，照在我们的眼睛上让我们看到。1919年的天文观测证实了这一预测。

空间和时间在相对论中仍然纠缠在一起，并不是相互独立的。空间曲率增加和时间变慢是同一枚硬币的两面。就像一根柔性水管，当它弯曲成一个弧形时，时间和水管的长度是一样的，而且它也变长了。住在一楼的100层建筑比住在100层建筑更接近地球的中心。因此，重力越大，空间曲率越大，手表就越慢。因此，一楼的寿命将比100层楼长。不要低估这种差异。如果卫星定位不能区分1层时钟和100层时钟，它的导航可能会偏离目标。

宇航员进入黑洞并穿过“虫洞”会是什么样子？由于巨大的重力和空间曲率，时钟会变得非常慢。库珀和布兰德穿过虫洞，降落在虫洞附近一颗表面有水的星球上。由于虫洞创造了巨大的弯曲空间，他们在飞船上的一个小时相当于七年。所以他们花了几个小时回到宇宙飞船，在那里等待的宇航员已经成长了23年。

“只要有可能，它就会发生。”

在宏观世界中，我们最多只能观察四维时空，许多一维是不可想象的。当库珀回到地球去见他的女儿时，他的五维空间发生了什么？这样想:第五维度是一条线，它的每一点都与一个四维时空球相连。因此，宏观世界中的一个书架就是库珀五维空间中的无数个书架，而且是不同时间点的书架。

让我们打个比方。例如，蚂蚁只有二维的感觉。一天，他们聚在一起在地上扛一只蚱蜢。但是我不认为蚱蜢还活着。当无数的蚂蚁看到蚱蜢时，蚱蜢跳到空中，消失在公众的视野中。因为蚂蚁看不到第三维度，这对它们来说是一种“超自然现象”。后来，一位蚂蚁物理学家提出，世界上还有第三维空间，蚱蜢可以通过它逃脱。这一事件已经得到了合理的解释，尽管它们仍然是不可想象的。

事实上，探索微观世界的量子力学和超弦理论都需要多维时空超越四维时空来解释这个世界的物理现象。例如，超弦理论需要10或11维的时空。

万有引力是人类观察到的第一个现象，也是目前最无法解释的现象。根据量子力学理论，每一种力都是通过一种叫做玻色子的基本粒子传递的。现在传递其他三种力(电磁力、强力和弱力)的玻色子已经被实验观测所证实。只有引力玻色子从未出现过。它能存在于第五维度吗？理论上这是可能的。电影中的库珀最终通过引力波将方程的解传递给了墨菲的手表。可爱的墨菲从小就探索“鬼魂”的存在。在不同的信息交流世界里，普通人必须被视为“幽灵”，但墨菲不同寻常的头脑愿意接受它的合理性。这拯救了整个人类！

10岁的墨菲问他的父亲，“我怎么能用一个坏东西(墨菲定律)作为我的名字？”

“墨菲定律”也被称为“风险定律”。正如库珀在电影中所说，“只要有可能，一切都会发生。”在技术领域，它警告人们，无论发生事故、风险和灾难的概率有多小，你都不能有侥幸心理，你必须有预防设计。对于一部10吨重的电梯，你不能只在电梯门口挂一张10吨重的钢丝绳重量限制卡。考虑到有些人可能会非法超载，使用20吨钢丝绳也是必要的。即使如此，也应该考虑到钢丝绳可能因其他原因而断裂，因此在箱型导轨上应该有一个箱型夹紧机构。它可能装不下，所以底部还有一个缓冲弹簧...

墨菲是一个非常有意义的名字。库珀代表了好莱坞电影中常见的英雄元素，是一种积极的能量，积极，勇于探索，充满爱，不怕牺牲。墨菲定律原本是一个消极的原则，但库珀做出了积极的理解。正如我们现在常说的，“一切皆有可能。”长大的墨菲也意识到了这一点，当父女携手拯救人类时，他有了一个幸福的结局。

当我说这部电影是“硬科幻小说”的时候，我并不是说这一切真的会发生。毕竟，它仍然是“科幻小说”。所有这些都不可能用所有当前的物理理论来分析。例如，“虫洞”仍然是各种各样的数学模型，更不用说实验证实了。根据目前的理论，任何物体，包括人，都不能完整地从黑洞中出来。理论上，需要负质量和负能量来打开“虫洞”并穿过它。现在这也是一个无法理解的理论问题。

简而言之，根据现成的理论，这部电影中可以发现数百个缺陷。但是事情是不可预测的。一百年前，物理学界用“量子”这个概念作为怪物来包围和压制它。现在它已经成为我们的电脑、手机、激光、互联网、核能...