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解读《星际穿越》:黑洞内部是生机勃勃还是死寂之地,关键是温度

2019-12-10来源:先锋网视

虽然黑洞被包裹在事件视界内,用任何已知的方法都无法直接观测内部,但是无法阻挡人类的好奇心和探索的欲望。

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星际飞船

科幻电影《星际穿越》的男主角主动脱离飞船,进入黑洞内部就是为了一窥究竟。

这并不是男主角自杀的行为,在电影的一开始就介绍了,科学家们已经计算出在黑洞内可能有另外的时空,只是参数不确定。

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《星际穿越》的男女主角

最开始提出这种观点的是霍金。霍金对黑洞的研究过程中提出:物体越过黑洞视界向黑洞堕落的过程中,就可能会出现违反时序的情况。

整个电影的故事背景就是在霍金的这一理论下展开的。科学家计算出了除了物理奇点之外还有别的奇点,这个奇点其实并不是物理意义上的点。而只是数学计算上的点。可以认为是时空的拐点,如同地球和月亮之间的拉格朗日平衡点。

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时空扭曲效果

黑洞事件视界所包裹范围内可能出现的情况,有三种。

第1种:所有的质量都集中在奇点。

黑洞没有温度,只有质量、电荷和自旋。在黑洞的理论诞生很长一段时间内,这都是科学家的主流认识。这个理论又被称为黑洞无毛定理。

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大黑洞“卡冈图雅”外围的行星

第2种:考虑物质在向奇点汇聚的过程中,越过普朗克尺度产生的量子效应,会发生一次剧烈的反弹。

这个反弹的结果,是在黑洞的内部会形成一个和我们现在宇宙相似的,微型的宇宙。这个观点在黑洞理论的诞生时,就有科学家持有这样的观点,但是并不是主流。因为主流的观点认为是黑洞是没有温度的,所以里面是不存在任何生态的。

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可能存在于黑洞内部的超智慧结构

但是霍金发现黑洞的视界表面,会有辐射向外发出。间接证据证明,霍金辐射很可能是存在的。根据霍金的观点,黑洞越小辐射越强烈,极小的黑洞会在瞬间之内蒸发。所以到目前为止,还不存在微型黑洞。

霍金辐射证明了黑洞是有温度的。这个观点是现在主流科学家的观点。有温度的物体,内部绝对不是死寂一片。这就引来了人类无限的好奇心,可以说《星际穿越》是向霍金的学术研究成果致敬。

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隐藏在黑洞内部时空泡泡里的城市

第3种情况:《星际穿越》里面描述的黑洞内部场景。

这个黑洞内部的场景,理论依据是对黑洞内部时空构造的最新研究成果。

这个观点实际上是折中的第1种情况和第2种情况。承认第1种物理的奇点,还存在着时空的奇点。这只是一种计算奇点(温和奇点)。

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在温和奇点的机械卫士

物体向物理奇点跌落的过程中,会困在这个"温和奇点"附近。所以掉入黑洞的物质不会落到物理奇点,男主人公才会保住自己的小命。

"温和奇点",可以看成是地球和月球之间的拉格朗日点那样,是一个时空交错的平衡点。

这样的设定,《星际穿越》才有了故事展开的空间。

《星际穿越》里,未来的人类在这个时空奇点放置了一个超立方体,男主人公掉进去以后遇到了这个超立方体。这个超立方体连接着很多细细的线,这些线就是所谓的世界线。

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超立方体连接着世界线

电影里的世界线只是用一种影视化表现手法。真实的世界线,是在闵氏空间中记录的每一个粒子的历史瞬时存在连接成的线。

主人公通过拨动世界线的方法向自己的女儿传递信息。这也是影视中的一种比喻手法,实际上是不能用手直接去拨动这些线。任何想触动世界线的努力都会引起历史的完全改变。

影视中的主人公是通过进入更高维度,返回过去。更高维的空间,现在还没有实验证据。

但是,出现“更高维度”是唯一不破坏相对论又能超越时空的方法。可能所有人都期待这一刻。

拨动世界线和返回高维空间,都是科幻故事里幻的部分,这是以故事展开的前提存在的。

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人类突破大过滤器,建设的未来太空城

《星际穿越》里第1个破坏科学规律的bug,本来可以避免。

主人公去的那个黑洞太小了。黑洞的质量是1亿个太阳,黑洞直径是3亿公里,相当于1.95个天文单位。视界表面的重力加速度高达15500g,会把人撕碎的。

可供安全接近的黑洞,尺寸要达到0.94光年以上,质量要在15,000亿个太阳。

科幻迷们要牢记:黑洞越大越安全。15,000亿个太阳的黑洞,世界表面的重力加速度刚好是与地表相当,是一个g。

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停泊在10万光年巨型黑洞视界表面的外星飞船

星际穿越里的第2个bug,在影片中一开头出现在木星附近的虫洞太小了。

在大自然中虫洞是不存在的,不可能维持这样稳定的结构。这是科幻中"幻"的那一部分,也是故事展开的前提。

但是,如果存在可供安全穿越的虫洞,直径也要至少在0.94光年以上。这个本来也是可以避免的。按照小编的观点,虫洞最好有10光年,把整个太阳系都包住,把太阳系放在时空鞍点。

总的来说,《星际穿越》是一部具有深厚的理论背景,BUG点比较少的科幻片。

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虫洞是明亮的,因为会汇聚周边的星光

作者特别提示:

关于黑洞的所有理论研究,都是围绕着广义相对论场方程的解进行的。所有和黑洞相关的科幻作品,都是广义相对论光环下的衍生物。

到目前为止,广义相对论场方程接受了各种极其严苛的检验,证明了其无比的计算精度。这是人类目前最伟大和最坚不可摧的科学理论。

再一次纪念伟大的爱因斯坦。

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卡尔波普尔的思想来自爱因斯坦

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