本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。
電影《星際穿越》是一部史詩級的科幻驚悚片，講述了包括由於氣候變化而逃離地球，以及蟲洞和時間膨脹等方面。影片中有許多有趣的概念，這些概念帶有不同程度的科學準確度。因此，繼續閱讀本文，我們一起找出庫珀（電影《星際穿越》男主角Cooper譯名）精彩旅程中理論上可能實現的東西。
毋庸置疑，本文會對影片情節造成一點破壞。
人類真的可以穿過蟲洞嗎？
蟲洞——影片中描述的無所不知的五維空間生物在土星附近創造的門，在電影《星際穿越》的整體情節中起到了推動作用。蟲洞實際上是一個「隧道」，可以彎曲時空間，連接的兩端可以進行能量和信息傳輸。影片中羅米利（電影《星際穿越》角色Romilly譯名）做了簡單說明。
圖解：兩點在二維平面上，兩點的最短距離是直線；將這一平面彎曲，變成三維空間，將兩點貫穿相連，三維空間距離遠小於二維空間直線距離。圖源：GOOGLE
蟲洞存在嗎？呃，科學指出了理論上的可能性，但至今尚未發現，也就意味著蟲洞仍是一個偉大的假設。此外，蟲洞的壁實際上並不穩定，因此人類在穿越蟲洞時，頭頂部分的蟲洞壁可能會坍塌。找到一個自發形成的蟲洞的可能性非常小，如果說存在一個蟲洞，只能靠某種擁有移動整個星系的先進文明來創造。的確令人頭大，但是理論物理學上蟲洞可能存在的假設依然成立。也許只需要五維生物告知呢。
圖解：影片《星際穿越》中的蟲洞與環狀永恆號（Endurance譯名）飛船。圖源：派拉蒙影業（Paramount Pictures）
結論：蟲洞近幾十年來一直是科幻作品的主題，這種情況很可能會一直持續下去。人類穿越蟲洞幾乎是不可能的。（旁註：人類掉入黑洞毫無疑問會死。）
會存在像TRAS這樣的機器人嗎？
創編出像TRAS和CASE這樣的機器人難度在於其人工智慧，而非機動能力或外觀設計。實際上，TRAS單是其整體的簡化設計已經是廣受讚譽。一部分是由於其對巨製《2001：太空漫遊（2001: A Space Odyssey）》的致敬，更多的是因為該機器人妙語連珠。矩形設計的剛性機器人也許在理論上可以正常運行，但要像電影中那樣移動四肢，需要巨大的扭矩支持。例如，搬運布蘭德（電影《星際穿越》角色Brand譯名）博士時利用車輪旋轉方式在海中前行需要大量的動力。
圖解：電影《星際穿越》中機器人CASE 搬運布蘭德博士。圖源：ScienceABC
在這種情況下，真正的機器人應該會有輪子和爪子，而不是樂高形狀的手。除了強大的功能，還需要花功夫做從詞彙表到幽默設置的所有編程，這些在今天的單一產品中是不可能實現的，至少TRAS這樣確定性的版本中是不可能的。更不用說所有的傳感器，電路，電線和液壓系統也都需要規整地布在運動單元。要想製作出類似RTRAS的機器人，幾十個大型高科技公司投入數以千計的全職技術人員來開發一款產品，也需要數十年。影片中對此的解釋是翻新的軍用機器人，這對於影片設定很有意義，卻也不會是載人星際任務的理想夥伴。
圖解：電影《星際穿越》中機器人TRAS。
結論：人工智慧想要變得如此複雜還有一段路要走，可能的話，整體設計不會朝著這個方向發展。
「引力方程」如何幫助人類大規模外逃？
影片中，墨菲（電影《星際穿越》角色Murph譯名, 男主角庫珀的女兒）試圖解決的「拯救人類」方程簡單稱為「引力方程」。實際上確實有引力方程，與影片中的不盡相同。影片中墨菲和布蘭德教授（電影《星際穿越》角色布蘭德博士的父親）試圖從黑板上計算出可以「解決地球引力」的數值，這樣就可以成功執行A計劃，也就是撤離，讓世界上所有人口乘坐重力推進火箭逃離地球。最終，墨菲在獲得了黑洞內部「無限引力」的信息後，得出了答案。
黑板上的方程式之一是愛因斯坦場方程式的一種形式，該方程式是引力的微分方程，可以解釋從大爆炸到黑洞的所有事物，以及介於兩者之間的幾乎所有的引力異常。2016年2月，美國麻省理工LIGO（雷射幹涉引力波天文臺，英文全稱Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory）實驗室發現並確認了「引力波」的存在，從而證實了愛因斯坦關於引力的重要假說之一。
LIGO實驗室捕捉到的引力波來自12億光年遠的兩個黑洞碰撞。影片中墨菲試圖解決的問題本質上是精密概念化的愛因斯坦場方程，可以幫助「創造專屬引力」，從而將整個城市進入太空。影片中愛因斯坦的成果最終是怎樣救助人類的，這一過程充滿了詩意，當然也少不了墨菲和跨維度互動的少許幫助。
結論：這些方程以某種形式成立，卻不能幫助人類逃離地球。
圖解：電影《星際穿越》中用於計算的黑板，圖中人物為墨菲，圖上譯文：愛因斯坦被一塊手錶打敗時物理學家的表情（墨菲是通過一塊手錶解決方程的，欲知詳情，請看電影）。
時間膨脹與潮汐星球
這或許是影片中最令人費解之處。太空的宇宙飛船內的23年4個月零8天，是怎樣等價於星球上大概3.5小時的？那就先對時間膨脹做一些基本了解吧！
假設你正站在米勒（電影《星際穿越》星球Miller譯名）星球的地面上，同時羅米利在宇宙飛船內繞黑洞卡岡圖雅（電影《星際穿越》黑洞Gargantua譯名）的軌道上。按照愛因斯坦的廣義相對論，低引力場中的時間流逝更慢，高引力場中時間流逝更快，這恰好是影片中的情景。布蘭德博士和庫珀在米勒星球上，該星球由黑洞卡岡圖雅施加了巨大引力（由於米勒星球快速旋轉引發了巨型潮汐）。
圖解：米勒星球繞行黑洞卡岡圖雅。
然而羅米利隔了一定距離繞黑洞卡岡圖雅運行，使得卡岡圖雅對他造成的引力影響小得多。需要注意的是，時間會變慢，是相對於兩個人群來講的。假設羅米利所在的永恆號宇宙飛船收到的引力場與地球上相當，地球上的人類也已經經過了23年。事實上沒有人體驗到慢動作。
圖解：上圖為羅米利獨自在飛船中27年（自地球出發開始算起），研究宇宙的奧秘；下圖為馬特達蒙博士在曼恩星球生存10年，等待庫珀等人，最後決定殺死前去曼恩星球的所有人（震驚，男子為何堅守一冰凍星球十年，又為何要殺死前來接頭人員）。
如果庫珀在整個3.5小時的過程中在頭部佩戴GoPro相機，可以立即將所有影像一次性傳送至地球（事實上不太可能，因為信息傳輸速度不可能比光速快），他的女兒墨菲將會看到3.5小時的影像，而非23小時的慢動作影像。如果庫珀使用潛望鏡進行實時直播，墨菲將會隔幾天甚至是幾周的時間接收到一些比特流，直播影像也將會是超級超級慢動作。
要使影片中描述的時間膨脹水平發生，米勒星球必須以超過99.99%的光速運行，也就是說，米勒星球的運轉軌道必須無限接近黑洞。如此接近黑洞，勢必會對米勒星球造成嚴重不良影響。由於極度的引力存在，米勒星球或許不能以當前形式存在。
圖解：徘徊者號飛船在米勒星球著陸。
結論：由於是一部科幻電影，為了存在一部分創作餘地，不太在意數學方面，時間膨脹就是一個例子。
影片《星際穿越》中有許多值得一看的壯觀場面，人們也可以長時間不間斷開帖討論其中的科學性，但是基普索恩（Kip Thorne譯名，電影《星際穿越》的科學顧問，也是美國帕薩迪納加州理工學院的理論物理學教授）已經撰寫了一整部，叫做《星際穿越中的科學》（《The Science of Interstellar》譯名）。影片中出現的許多問題已經在書中作出了解答，基普索恩的參與使得影片在科幻的邊緣進入到了現實可能實現的範圍，儘管有超自然的元素……當然這是以後要討論的問題了。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.scienceabc-Upamanyu Acharya- Holly
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