嘗試理解《星際穿越》的魅力與恐怖

************這篇影評可能有雷************

諾蘭有著一顆向電影《2001: 太空漫遊》的導演庫布里克 (S. Kubrick) 致敬的少女心。《星際穿越》中但凡涉及太空的鏡頭，諾蘭強悍地撤除了所有音軌所營造出的真空俱寂，使人不得不首肯深挖硬科幻即成恐怖片這一說法的精準。

要真正理解《星際穿越》所呈現的所有可能性，就必須了解（不奢求理解，理解需要龐大的數學理論基礎為後盾；所以本文隱去了所有涉及空間物理的期望屬性及數學細節，不然有如：

R_rtr^t=-R_rrt^t=(1-b⁄r )^(-1) e^(-2φ) R_ttr^t

這樣的公式一旦出現在文章里，便有違此影評的原意了）以下四個知識點:

一、 黑洞及白洞；
二、 蟲洞；
三、 時間與引力的關係；
四、 引力與第五維。

《星際穿越》聘請了理論天體物理學界的泰山北斗級人物基普•索恩 (Kip S. Thorne) 為影片的硬科幻提供科學支持。首先，基普•索恩早在1986年就提出黑洞不可用於星際旅行的觀點，那他又是如何闡述這一觀點的呢？

一、 黑洞及白洞

「Black holes not usable for interstellar travel」
「黑洞不可用於星際旅行」

1

黑洞界限 (black hole horizon) 位於空間之表面分隔黑洞內被圍困的那些不能與外部宇宙進行交流的空域和我們所處的外部宇宙空域。某物體質量 M 處於黑洞界限，黑洞巨大的質量所產生的天體引潮力作用於此物體、並在其兩端產生碩大無朋的相對加速度，則此物體兩端間的長度 L 的值會趨向於正的無窮大。

用地球話來解釋，我們可以試想一個居住在地球上的人，因為他離地球較近，所受的引力相比距地球較遠的某太空人要大一些，所以地球人的缺鈣需要以好幾十年鈣的攝取不足來實現，而太空人僅在近地軌道待幾個月就有各種不適了，比如骨質疏鬆和不會走路等等。

再進一步試想，如果我們把地球的質量擴大至四百萬倍太陽的質量後便夠條件形成一個黑洞，先假設某太空人的質量為M，高度為L，且他的腳朝黑洞、頭朝外部宇宙空域、並身處介於黑洞界限（我們可以把黑洞界限簡單地理解為黑洞的地平線）與外部宇宙空域之間的某個三維空間點，那麼我們這位悲催的太空人的腳所受到黑洞吸引的天體引潮力就大大大於他的腦袋所受到的天體引潮力，這兩股力的力差所形成的潮汐引力差就會在太空人的腳和頭部作用形成不同的加速度，腳的加速度大於頭的加速度。然後就會出現以下這種既恐怖又神奇的現象：太空人從腳開始再到腦袋，被潮汐引力撕碎成原子形態，甚而誇克，最後變成無數個能量環、即弦理論里提到的弦，進而為黑洞的質量添磚加瓦（不是說質量的產生來源於弦的波動嗎？）。

所以，基普•索恩就此指出，在太空人尚未抵達黑洞界限前就已經由於天體引潮力的作用而壯烈犧牲了。所以，任何物體掉入黑洞後再被撕碎的腦內想當然是不對的，實際情況應該是還沒來得急感受到黑洞的地平線是啥模樣，就已瞬間被挫骨揚灰、且華麗麗地變身成為億萬個閃閃波動的能量環，青的、紫的、黃的，什麼顏色都有，但是由於黑洞潮汐引力太大，連光都跑不出去，所以可以假設其實這一殘酷的過程，我們人類是看不真切的。

2

「A black hole horizon is a one-way membrane」
「黑洞界限是一單向性隔膜」

東西能掉進去，但沒什麼能出得來。所以，關於黑洞的往返旅程是被禁止的；而且即便是單程進入黑洞，物質在黑洞的另一端出口處，假設那名太空人不管以什麼形式還能出得來的話，出口處絕對不可能是黑洞。它必須是另外一種，甚至是更為光怪陸離的客體 - 比如說，一個白洞。

基普•索恩就不能好好說話嗎？簡短扼要的有關黑洞的第二點解釋看得小卿児雲裡霧裡，不得不查閱谷歌度娘才稍微了解了一些，他的意思是說，任何物質只要一旦進入黑洞地平線就好似被一層隔膜隔在裡面了，只要黑洞依然存在，就別想原路返回，除非黑洞要死了，進入黑洞的物質必須變身成其他物質 - 比如那些閃閃發光抖動的環，然後在黑洞死亡消逝的時候被噴吐出來，那個被噴吐出來的出口處早已不是黑洞（因為黑洞死了），而是白洞了。

二、 蟲洞

要了解蟲洞，首先要弄清楚兩個概念：時空與空間。空間是三維的、時間靜止的；而時空則是四維的，某時間點的空間沿著時間的推進而形成的一個個時間點組成時間軸，並且時間方向永遠向前、不會後退，好比射出去的箭一般。所以，當我們描述四維時空內的某個物體的運動，我們稱之為事件。簡單地說，當蘋果砸到牛頓頭頂的那一霎那，就是一個四維時空事件：空有三維 - 長寬高，時是一維，前進不止。

結合電影《星際穿越》所涉及的有關時間的現象，是通過黑洞及第五維來實現的，而非通過蟲洞，下文將嘗試詳解。蟲洞在影片中的功能，是用來連接兩個相距十分遙遠的外部宇宙空間。我們可以將這兩個同時存在的外部宇宙空間想像成兩個2D的平面，介於這兩個平面中間的柱狀通道就是蟲洞，是存在在宇宙中的一個超空間管道；就好比一個蘋果被蟲子從一頭直接咬穿至另一頭、而不需沿著蘋果的外弧繞半個圈一樣。所以，當一艘宇宙飛船從近地球的外部宇宙空間，例如從位於太陽系外圍的柯伊伯帶出發，進入蟲洞（在蟲洞中旅行的時間忽略不計），再從遠地球的外部宇宙空間，例如從距離地球888光年的小熊座λ星附近鑽出，宇宙飛船本身並沒有進行超光速運動或時間穿越，但穿過蟲洞本身這一行為便間接實現了超光速所能達到的效果， 即宇宙飛船在忽略不計的時間內行進了光速需要旅行888年的距離，猶如處於同一時間點的兩個相隔甚遠的宇宙空間被瞬間摺疊了。而《星際穿越》中的宇宙飛船則是通過蟲洞來到了一個名為 Gargantua 黑洞的黑洞界限外的星球米勒 - Miller. 關於米勒星的知識點，小卿児將在第三章時間與引力的關係中做詳細闡述。

網上有很多關於影片中蟲洞形態的疑問 - 蟲洞為什麼會是一個球狀體？

基普•索恩首先是假設了可通過蟲洞的度規是靜態球對稱的。 這當然不是必需的， 但在廣義相對論研究中乃是首選的簡化條件， 比如廣義相對論的第一個嚴格解 - Schwarzschild 解，就是在這一簡化條件下所得到的， 從它入手進行可穿越蟲洞研究也是順理成章的。 而且以天體物理的眼光來看， 蟲洞如果是一種大尺度物質結構， 它的天然形態也確實最有可能像其它大型天體一樣是接近靜態球對稱的。

還有，正如影片中所解釋的一樣，蟲洞是連接相隔甚遠的兩個外部宇宙空間的兩個點，分別為起點和終點。上文已將這兩個外部宇宙空間簡化成兩個平面，將平面對摺後、起點與終點重合。這個重合點是在2D平面下實現的，現在試想進入3D空間，重合點將向四面八方膨脹進而形成一個球狀體。

所以，影片中的蟲洞其形態並非介於兩個外部宇宙空間之間的柱狀通道，而是像一個氣泡泡一樣的透明球體。

基普•索恩認為，構造可通過的蟲洞需要滿足以下九個條件：

1

可通過蟲洞的度規（度量標準）應既是球狀對稱的、也是不依時間變化的，即所謂的靜態球對稱。這樣規定的初衷是為了計算的簡化，而且我們也必須認識到，蟲洞因球狀或非球狀的擾動可能會變得不穩定。《星際穿越》中的蟲洞當然是穩定的，因為人類已開始利用保持蟲洞持續打開的幻影物質。

2

任何計算結果必須滿足廣義相對論的場方程，前提是我們假定愛因斯坦的廣義相對論是正確的，即物質告訴時空怎麼彎曲，時空告訴物質怎麼運動。

3

為了形成蟲洞，蟲洞的喉嚨（柱狀通道的中心）必須分別連接出入口的兩個漸進平直時空 - 蟲洞基本結構的構架。

4

蟲洞不存在蟲洞界限（視界） - 同黑洞的道理一樣，視界的存在會阻止雙向旅行的可能性。

5

穿行蟲洞的物體所受的天體引潮力必須小到可接受範圍之內 - 撕碎了就沒戲了。

6

穿行蟲洞的物體必須在有限且合理短的時間內穿過蟲洞，比如說少於一年，不僅在物體本身的時間來看，也在於位於蟲洞外等待物體出現的個體的時間來看 - 怕夜長夢多。

7

物質的能量、動量和張量是物理上合理存在的 - 也就是在太空中能夠找到，一部份可以合理地就地取材；另一部份則可以被利用，比如宇宙飛船用來逃脫 Gargantua 巨大潮汐引力的加速度和減速度。

8

蟲洞的解必須呈擾動下的穩定結構，其穩定性足以使一艘宇宙飛船得以通過。基普•索恩沒有具體說明如何取得這樣的穩定性，小卿児猜測這必定是以開採暗物質並利用幻影物質才能實現的。

9

蟲洞的構建在理論上應該是可行的。例如，構建過程所需的物質其質量必須遠小於宇宙的質量、構建時間也必須遠小於宇宙的年齡，換句話說，就是要在有限的時間內、不浪費資源地利用宇宙中的原材料，多快好省地建造蟲洞。

蟲洞在微觀世界中已被理論論證其存在的可能性。綜上所述，如果人類的科技能夠達到滿足上述九個條件的屌炸天水平，那麼從理論上來講，人類是可以利用宇宙資源來實現人為構建可通行蟲洞這一偉大壯舉的。

《星際穿越》中的未來人類做到了，所以影片中涉及蟲洞的部份並沒有悖離代表當今世界最高水平的天體物理理論，並以壯闊的視角向無知的人類展示了一幅免於滅絕的末日美景。

也許，蟲洞真的是終極拯救人類的第一塊敲門磚。道理很簡單，如果沒有時空的彎曲，人類即便能夠研究出光速飛行的技術，從星際旅行開始的時候，就已註定將迷失於太空。這樣看來，霍金先生報名參加的星際旅行，心懷多少宇宙英雄主義式的悲壯啊！

三、 時間與引力的關係

影片中 古柏 (馬修•麥康納) 和 Brand (安妮•海瑟薇) 經過蟲洞來到了一座位於 Gargantua 黑洞旁、全部由水組成的 Miller 米勒星球。

很多國內外的網友都吐槽這一設定，利用VPN翻遍 IMDb 和類似部落格，吐槽點可以大致被歸為三類，其一：米勒星球為什麼不會被巨大黑洞吸進去？其二：古柏 和 Brand 如何擺脫得了巨大黑洞的潮汐引力進出米勒星？其三：為什麼在米勒星上的一個小時相當於在地球上的七年？

小卿児在此做一一解答。

其一，基普•索恩很聰明地在《星際穿越》中將 Gargantua 黑洞設定成為一個強烈旋轉的黑洞 (rapid rotating black hole), 與Schwarzschild 的靜態黑洞不同，涉及旋轉黑洞的天體物理和有關靜態黑洞的物理理論大相逕庭。旋轉黑洞理論上允許類似米勒星的相對近距離存在，而靜態黑洞視界（界限）的周圍則原則上不允許類似米勒星的形成。此為一解。回到上文有關黑洞界限（視界）的闡述，我們一定能夠理解到，米勒星的位置必然是處於 Gargantua 黑洞的黑洞視界外，足夠遠離視界而不被潮汐引力的作用而分解；米勒星同時也距離 Gargantua黑洞的黑洞視界（界限）夠近，而不至於偏離黑洞的軌道。此為解二。所以，影片中在米勒星上出現的那道有如巍巍山脈一般驚世駭俗的滔天巨浪是有其天體物理學依據的 – 只有 Gargantua 黑洞所產生的巨大天體引潮力方能引起如此大規模的海浪/海嘯。

其二，根據錢德拉賽卡的《黑洞的數學理論》第61章、第117條公式計算出某物體環繞黑洞軌道所給出的特定能量值，以時間膨脹效應（將在後段給出解釋）為出發點粗略估計黑洞的軌道半徑為：

r ≈ 2.000025339 M

如果以上的估計值在可接受範圍內的話，對於一個以最大速度旋轉的強烈旋轉型黑洞，錢德拉賽卡的公式給出的特定能量值則為：

E ≈ 0.777

也就是說，進入和離開該軌道所涉及的能量是物體靜止質量22.3%等量的有序能（固溶體有序化時所引起的自由能變化），也就是大質量點，比如宇宙飛船，以有序運動而傳遞的能量，可以看成是功，如電能、化學能和機械能等。宇宙飛船的質量是在可控範圍內的，其質量的22.3%也並不如其他網友所異想天開的那般無窮大。所以說，這個特定能量值是存在其科技支持的合理性的。簡而言之，宇宙飛船有能力進入和離開米勒星球並成功躲避黑洞的潮汐引力，所需能量僅為宇宙飛船質量22.3%等量的有序能而已。要算出這個有序能的大小也不難，依據以下步驟，設影片中宇宙飛船的質量為 M, E則為飛船進入和離開該軌道所需的有序能，其出處就不必小卿児贅述了：

E = M • 22.3% •(299,792,458 m/s)2

其實這個特定能量值也是非常之巨大的，按目前的科技水平來講，似乎人類還無法企及，畢竟1克質量等量的能量就有89.9萬億焦耳，也就是21.5千噸TNT炸藥爆炸所釋放的能量，或者是56.8萬加侖汽油完全燃燒所釋放的能量。可以想像，影片中的宇宙飛船想飛離黑洞天體引潮力的恐怖陷阱，就必須以不可置信的當量的N次方徹底開掛才行！

其三，米勒星上的一個小時相當於地球上的七年，也就是說，古柏 和 Brand 相對地球人而言在三個多小時內穿越到了二十三年之後。天方夜譚嗎？非也。既不是胡扯，更不是想像，而是實實在在的硬科學。和蟲洞不同，物理學界尚未肯定蟲洞的存在，而黑洞是確確實實存在的 - 我們的銀河系中心就真實存在著一個巨大無比的強烈旋轉型黑洞，不然，我們的銀河係為什麼會呈一個弱螺旋形的光碟形態呢？

其實，時間旅行的現象每天都在地球與近地軌道之間上演，不信就請去百度GPS校準. 要解釋GPS校準的問題，就不得不提到引力時間膨脹。

愛因斯坦如是闡述引力時間膨脹為，在宇宙有不同勢能的區域會導致時間以不同的速率而度過的現象。引力導致的時空扭曲率越大，時間就過得越慢。GPS校準的現象就是鐵證。

地球表面所受到的引力因地球表面離地球近而相對於近地軌道的GPS由於遠離地球表面而更大。這一點和前文提及的身長為L的悲催太空人其頭腳所受潮汐引力的不同有異曲同工之妙。地球人因為離地球近所以處於高勢能區域，而引力導致的時空扭曲率在地球表面就比較大，時間就過得比近地軌道上GPS的原子鐘慢一些；而GPS由於處於低勢能的太空，受到的引力自然小一些，所以時空扭曲率也沒有在地球表面來得那麼明顯，故而時間所受的約束較地球人要少，所以時間放肆地跑快了那麼一點點，每天幾個奈秒吧 - 不過累計起來一週，也能讓GPS在地球表面的導航偏航6英里之多。所以GPS的原子鐘每天都會自動校準。

同理，把這一現象照搬到 Gargantua 黑洞附近的米勒星球，現在地球和米勒星是兩個互相的參照物，地球人所處區域的勢能不變，古柏 和 Brand 在米勒星的勢能就完全徹底不可同日而語了。Gargantua 黑洞的天體引潮力有多大，不是地球引力所能與之相比的，古柏 和 Brand 身處因潮汐引力所引起的特高勢能區域，繼而週遭的時空扭曲率也大得驚人，這就導致了在米勒星上的時間過得超級緩慢，而身處地球的 Murph 就在她老爹只度過的短短三個多小時內，便從10歲的小蘿莉長成了中年婦女。

我們可以這樣理解，如果通過蟲洞，人類找到一個碩大無比的宇宙超級大黑洞，超過 Gargantua 億萬倍，在其附近如果能活著不被撕碎地待上一秒，也許地球上已過了千年、萬年。那早已不是神奇了，而是極度恐慌。鑒於此，也許蟲洞的最終被發現/構建對於人類來說並不是什麼好事兒。而反過來想，如果沒有宇宙外部空間的摺疊，人類又如何在太陽變成紅巨星、把整個太陽系烤成一片虛無之前，找到延續人類文明的另一座星球呢？

寫到此，我才突然理解了諾蘭在影片中所宣揚的唯有愛才能穿越時空這一觀點。國內外網友很多人吐槽這所謂的愛的蒼白和濫情與硬科幻的格格不入，說什麼大團圓的結局降低了硬科幻的逼格。小卿児想說他們都錯了，錯得如此沒有人性，因為諾蘭已經把故事上升到了人類該不該被拯救的哲學高度。其實人類和人類文明都會最終消逝，縱觀歷史，人類似乎不值得被拯救，所以計劃B才得以實施，計劃A的人類移民才在影片開始時被設定為不可能。這才是最讓人不寒而慄的硬恐怖，借用有關電影《2001: 太空漫遊》的一個梗：如果影片的觀眾真正理解了影片到底在講什麼的話，那麼一定是諾蘭和索恩他們搞錯了。

四、 引力與第五維

引力存在於第五維，按照愛因斯坦廣義相對論的場方程定義，將時空彎曲與變形。

依據全息原理 (holographic principle), 所有第五維的事件都可以變換為其他四維時空事件。

引力作用於第五維的現象，是《星際穿越》中最燒腦的部份。影片通過串起存在於高維空間的人類 古柏, 四維時空的小屋和中年的 Murph 來展示這一令人匪夷所思的概念。

為什麼說匪夷所思？上文通篇對於黑洞的闡述無非就是要說幹什麼都不要掉入黑洞。而影片中打開第五維的關鍵，居然是以 古柏 歪打正著掉入黑洞、或更為確切地說是被未來的處於更高維時空的人類帶入黑洞而開始的 - 那麼黑洞視界呢？單向性隔膜的作用去了哪裡？黑洞巨大的天體引潮力又怎樣了？

這些其實都被影片忽略了。理論上我們已經很清楚地認識到，任何物體一旦進入黑洞就不可能出得來 - 除非粉身碎骨地從白洞被噴出，前提還必須是黑洞死亡後。所以可以這樣理解, 古柏 一定是抱著必死的決心決定為主艦減負的同時也選擇掉入黑洞。更進一步思考，古柏 也想試試看自己是否能按照理論設定的那樣平安通過黑洞視界而進一步靠近奇點。影片設定黑洞的奇點（中心）是一個溫和的奇點則來源於 Gargantua 黑洞的性質是一個強烈旋轉型黑洞，其特性就是當物體高速掉入黑洞時，可以平安穿過黑洞視界而抵達奇點附近。而人類構建第五維的一個必要條件就是超級巨大的引力，而這樣的引力只存在於超大型宇宙天體（例如大質量黑洞）的奇點處。也許理論上高速通過黑洞視界是可行的，但通過後，古柏 絕對沒可能活著接近奇點。而 古柏 卻因為第五維的存在而躲過被化為齏粉的命運。

古柏 是被他們、也就是我們，拉進五維時空的。一開始，大家對這個他們都不甚了解；而進入第五維的 古柏 恍然大悟間意識到這個他們其實就是我們。小卿児這樣理解，這個我們並不特指未來的 古柏 和機器人所組成的我們，而是指更高智慧、遊走於高維時空的未來人類。為什麼這樣說？從基本邏輯來看，古柏 的壽命畢竟有限，在他有限的時間裡，科技水平不會如此快地發展到能夠有能力構建五維空間。而當 古柏 被拉進黑洞的那一刻起，整個事件就形成了一個以時間為載體的無窮迴圈。

說到這裡，尚有一個概念需要釐清楚，即構成五維時空的第五維不是引力，而是一個由時間構成的三維空間。在四維時空內的任何物體都有自己的時間軸，個體向前的時間軸、駕駛的車的時間軸、甚至寫這篇影評時所用鍵盤的時間軸等等。現在設想將這些無窮多的時間軸向兩邊鋪開，就形成了一個時間平面；然後再分別向上和向下拓展，無數的時間軸進一步形成一個由時間軸所構成的三維空間，每一個物體所存在的四維時空分別穿行於對應的某個時間軸。其實這些時間軸是同一個時間軸，沿著歷史前進的唯一方向運動，且時間是絕對不會倒退的。而每一個四維時空事件都在五維時空內以一個三維空間的形式所呈現，即影片中被稱為 Tesseract 的一個個立方角柱體 - 以三維的表現形式構築的五維時空。

強大的引力存在於第五維，將時空彎曲與變形，而所有第五維的事件都可以變換為其他四維時空事件。五維時空內的時間軸被清晰分隔，每一個由時間軸構築的三維空間都代表時間軸上的某一個四維時空事件，而這一串四維時空事件聯起來看就是影片開頭的鬧鬼橋段。

因為四維時空在第五維由於引力而被扭曲，古柏 就只能藉助引力這唯一能夠穿越時空的工具、並利用引力能作用的物體，如書、細沙和手錶指針的跳動，向 Murph 傳遞二維碼和摩斯碼。至於 古柏 本身，他並沒有回到過去。

也許並不能用好看來形容《星際穿越》，因為好看這兩個字在如此悚古震今的電影面前顯得太過於渺小 - 好看，是對此片的褻瀆。

影片結束時，有很多歡樂的2B青年帶頭鼓掌。

小卿児也是其中一員。

- The End -