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看《星际穿越》科学顾问如何回应科学吐槽

《星际穿越》中永恒号即将进入虫洞的场景。图片来源:华纳兄弟。

电影《星际穿越》上映后,不仅在观众中引发了黑洞虫洞科普热,也在科学圈内引发了吐槽热——果壳网“科学人”就汇总过不少科学家的吐槽(详见:科学圈怎么吐槽《星际穿越》?)。这些槽点真是影片在科学设定上出现了bug吗?

事实上,在电影正式上映的同时,该片科学顾问兼制片人、美国加州理工大学的理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne)也同步出版了一本新书,名为《〈星际穿越〉的科学》(The Science of Interstellar)。在这本书里,索恩透露了许多电影中没有明确说明的科学设定,以及设定和实际影片的差异,恰好能够回应人们吐出的不少槽点。

基普·索恩的新书《〈星际穿越〉的科学》,详细介绍了这部影片的科学设定。图片来源:mshcdn.com

问题:“卡冈图雅”自转到底有多快?

旋转黑洞会导致很复杂的星象场,也会导致黑洞本身和吸积盘左右看起来不对称。

如果按照导演诺兰的要求,米勒行星上的1个小时等于地球上的7年,那么“卡冈图雅”的自转几乎需要达到黑洞的最大可能自转(仅比最大可能自转慢100万亿分之一)。索恩在科学设定中使用的都是这样的自转速度。

然而诺兰对广大电影观众是很负责任的,为了减少这种不对称和复杂的背景带来的困惑,他把卡冈图雅的自转降到了最大可能自转的 60%。

补充说明:克尔黑洞的自转受到广义相对论的限制,如果旋转再快的话,裸奇点就会出现,这在目前的大多数理论中不被允许。无论运动多快的物质进入到黑洞,都不可能再增加黑洞的自转。高速旋转的极端克尔黑洞周围会看到很多复杂的现象。

问题:这些行星的能量来源是什么?

能量的来源,就是电影中“卡冈图雅”周围那些发光的东西,也被称为吸积盘。这是一个非常非常薄的盘,环绕黑洞一周。吸积盘在引力的吸引下围绕黑洞旋转,由于靠近黑洞的部分和远离黑洞的部分转动速度不一样,物质之间存在“摩擦”,因而发光发热,于是引力能量就通过这种辐射的方式被释放出来。能量释放的过程,吸积盘内的磁场也起了重要作用。

问题:“卡冈图雅”吸积盘里的物质是从哪里来的?

“卡冈图雅”的吸积盘是它撕掉一颗红巨星之后捕获的。如果一颗恒星不小心太过靠近黑洞,它就有可能被潮汐力彻底撕碎。一颗几乎径直冲向“卡冈图雅”的红巨星一旦开始受到“卡冈图雅”的影响,24 小时之后就已经把持不住,被撕碎了。

按照设定,“卡冈图雅”周边的吸积盘,是大黑洞撕掉了一颗红巨星之后捕获的。不过这张示意图中的黑洞,就远没有电影《星际穿越》里那么真实了。图片来源:huffingtonpost.com

问题:为什么靠近黑洞的人没有被吸积盘的辐射杀死?

黑洞的视觉效果呈现—— 一团发光物质围绕着它,并逐渐被引力吞掉——是相当合理的。但是如果你进入了这个区域,那你要么会被灼热的伽马辐射杀死,要么会被引力撕开。
                   —— 罗伯托·特罗塔(Roberto Trotta),天体物理学家,英国伦敦帝国学院高级讲师

“卡冈图雅”吸积盘的温度只有几千度,与大多数黑洞吸积盘不同。而太阳的表面温度也不过 5500 ℃,太阳光中高能的 X 射线、伽马射线很少,对地球上的我们无害。同样,温度只有几千度的吸积盘,对“卡冈图雅”的3颗行星是无害的。

补充说明:吸积盘的温度与吸积物质的多少等因素相关,单位时间内吸积的物质越多,吸积盘的温度就越高。按照设定,“卡冈图雅”已经很久没有吃到东西了,饿到了极度“贫血”的地步,所以吸积盘的温度就降下来了。

问题:为什么电影中的黑洞的吸积盘没有相对论束流效应?

但是他们好像忽略了多普勒效应和相对论性射束效应。吸积盘快速环绕着黑洞旋转,其中总会有些面向观察者飞来、另一些远离观察者而去,飞来的那些物质看起来应该更蓝也更亮才对。
                   —— 罗伯特·奈耶(Robert Naeye),天文学家,《天空和望远镜》杂志总编

旋转黑洞的吸积盘确实会导致一侧更亮且呈现蓝色,另一侧要暗弱而且呈现暗红,但是由于会导致广大电影观众一头雾水,视觉特效小组的尤金妮娅·冯滕泽尔曼(Eugénie von Tunzelmann)忽略了这个效应。

问题:距离卡冈图雅最近的行星为什么没有被撕碎?

其中一颗行星距离黑洞很近,以至于出现了强烈的时间扭曲,表面1小时等于地球上7年。我认识的好几个天体物理学家都认为,在这个距离上,黑洞的潮汐力应该足以摧毁行星,但实际数学推演的结果还不清楚。他们还在计算这个问题。
                   —— 菲尔·普莱特(Phil Plait),天文学家,著名天文博客“糟糕天文学”博主

这正是索恩要把“卡冈图雅”设定为太阳质量的1亿倍这么大的原因。黑洞的质量越大,半径也就越大,而黑洞的半径越大,距离视界相同距离的行星上受到的潮汐力就会越小。

一旦设定了“卡冈图雅”的质量,最靠近视界的稳定行星轨道就确定了。索恩通过计算得到,这种情况下,米勒行星虽然会受到巨大的潮汐力,形状也被拉长,但依然能够把持得住。如果“卡冈图雅”的质量比这个小的话,米勒行星就会被彻底撕碎。

补充说明:同样的道理可以解释,库柏在落入“卡冈图雅”视界的时候,为什么不会被引力潮汐力撕开。

问题:米勒行星的滔天大浪是哪里来的?

船员在这颗行星表面发现了周期性的滔天巨浪,大浪并没有得到解释,想来是黑洞引发的潮汐力吧。但是距离黑洞这么近,这颗行星恐怕早该被潮汐锁定了,一面永远面向黑洞。这意味着会有巨大的海水鼓包出现在正对黑洞和背向黑洞的两个方向,但是这俩鼓包相对行星表面是不会移动的,所以也不该有浪。
                   —— 菲尔·普莱特(Phil Plait),天文学家,著名天文博客“糟糕天文学”博主

是的,米勒行星被潮汐锁定了。倘若没有被锁定的话,由于巨大的潮汐力,这颗行星的岩石潮(地幔在巨大的潮汐力作用下发生变形)会将引力势能转换为热,从而加热行星,甚至使得地幔熔化。我们并没有在电影中看到这样的地狱般的场景,因为米勒行星确实是被潮汐锁定了。

就算被潮汐锁定,米勒行星上仍然会产生滔天巨浪。图片来源:作者供图

大浪的产生,原因是米勒行星在摇摆。由于米勒行星左右摇摆,实际上潮汐力还会像地球上一样起作用。索恩的计算结果是,如果米勒行星左右摇摆的周期是1小时,那么就会产生 1200米高的巨浪。(编辑:Steed

参考文献

  1. 《〈星际穿越〉的科学》(The science of Interstellar),基普·索恩
The End

发布于2014-11-26, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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章鱼喵.时见疏星

理论物理专业,西夏文爱好者

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