電影《星際穿越》中若干有趣的科學故事

克里斯多福·諾蘭（Christopher Nolan）導演的科幻佳作《星際穿越》（Interstellar）近日重新上映。電影精彩自不必多說，電影裡諸多有趣、硬核的科學細節也值得反覆推敲，細細品味。一起來看看電影裡一些有趣的科學故事吧。

劇透警告：本文包含對電影《星際穿越》和小說《2001：太空漫遊》的劇透。

一、人工智慧與太空探索

電影裡，搭載了人工智慧的機器人塔斯（TARS）和凱斯（CASE）承擔了不少重要的工作，協助駕駛宇宙飛船永恆號，與人類船員一起到陌生的星球探險，向人類船員講冷笑話，最後還作為探測器被拋到黑洞中。在曼恩博士企圖對接和控制永恆號時，正是凱斯提前關閉了飛船的自動對接程序，永恆號才得以免於被曼恩輕易奪取控制權。

圖 1. 醜萌能幹的機器人塔斯，圖片來自電影截圖

在科幻題材作品裡，人工智慧參與太空探索任務並不少見。在英國作家阿瑟•克拉克（Arthur Clarke）所著的經典科幻小說《2001：太空漫遊》中，宇宙飛船發現號搭載了哈爾（HAL）9000 型計算機，作為「整艘宇宙飛船的大腦和神經系統」。哈爾要做的事情更多：控制航行，監控維生系統，維持冬眠船員的生命，在必要的時候甚至可以採取必要的措施保護飛船，確保任務順利進行。小說的高潮之一，便是人工智慧哈爾「崩潰」並「叛變」，在以其對飛船極高的控制權限操縱維生和駕駛系統殺害 4 名船員之後才被拔掉晶片而宕機。阿瑟•克拉克早在 1968 年便提出人工智慧的獨立思考和叛變話題，這個極富遠見的預測一直為科幻迷所津津樂道。

參考《2001：太空漫遊》，電影裡凱斯未徵得人類船員同意就擅自關閉自動對接程序，這其實已經是「越級」的危險行為。

話說回我們的現實世界，目前有人工智慧參與的太空活動主要來自於國際空間站。2018 年夏天，搭載 IBM 沃森人工智慧系統的太空機器人 CIMON 進駐國際空間站；次年 12 月，升級的 CIMON-2 亦抵達國際空間站。CIMON-2 可以根據口頭指令在哥倫布艙內噴射飛行，協助拍攝照片和視頻，與太空人進行同理心對話等。在未來的太空飛行和探索中，人工智慧想來會深入地參與其中。

圖 2. 國際空間站上的太空機器人CIMON-2，圖片來自騰訊網二、引力彈弓效應

引力彈弓（Gravitational slingshot）效應在電影裡出現了兩次。第一次，永恆號在火星附近利用引力彈弓效應獲得加速並駛向土星附近的蟲洞。第二次，永恆號在嚴重受損、燃料不足的情況下，利用引力彈弓效應從卡岡圖雅黑洞獲得加速，拋下兩艘小飛船後成功擺脫黑洞的引力並加速衝向最後一個有希望的星球。

引力彈弓效應同樣也是科幻作品裡的常客。小說《2001：太空漫遊》裡發現號宇宙飛船利用引力彈弓效應從木星獲得加速；其續作《2010：太空漫遊》（準確來說，是其同名電影《2001：太空漫遊》的續作）裡列昂諾夫號宇宙飛船再次利用引力彈弓效應從木星獲得足夠的速度返回地球；電影《流浪地球》裡地球同樣利用引力彈弓效應從木星獲得速度逃離太陽系（木星：老工具人了）。

那麼，引力彈弓效應是什麼呢？

引力彈弓效應又稱為「重力助推」，它利用天體的相對運動和引力來改變飛行器的飛行軌跡和飛行速度，可以節省飛行器的燃料消耗，縮短旅行時間。請看圖 3，通過巧妙控制飛行器與運動中的天體「擦身而過」，可以讓天體的引力拉飛行器一把，顯著增加飛行器的飛行速度。對引力彈弓效應的詳細分析，請參看維基百科和B 站李永樂老師的視頻。

圖 3. 引力彈弓效應：飛行器利用行星引力獲得加速。圖片來自維基百科

引力彈弓效應可以使宇宙飛船無需耗費燃料便獲得可觀的加速，那豈不是違背了能量守恆定律？其實不然。在這個過程中，宇宙飛船的速度增大了，而行星的速度則減小了。飛船所增加的動能正是來自於行星所減少的動能。但是由於行星的質量非常大，它所減小的速度小到難以察覺。

引力彈弓效應並不是停留在理論和科幻作品中的概念，它已經被多次應用到飛行器在太陽系中的旅行中，是目前太陽系內航行十分重要的一種加速方法。有一個說法稱，在宇宙旅行中，化學燃料就相當於划船的槳，而引力彈弓效應就相當於風力，只有掌握並利用這個「風力」，才能高效地在太陽系中旅行，這是一個十分中肯的評論。目前人類已有至少 8 艘探測器利用引力彈弓效應進行加速，其中就包括傳奇的旅行者號探測器，來看看它們的傳奇故事吧。

1964 年夏天，JPL 的工程師加裡·弗蘭德羅（Gary Flandro）發現1，在 70 年代末，木星、土星、天王星、海王星等四顆外行星將出現在太陽的同一側並呈幾何排列。如果在 1976 年至 1977 年間發射一枚探測器，得益於此 176 年一遇的天文現象，它可以一次造訪這 4 顆行星，並享受多次引力彈弓效應的加速，將原本 30 年的旅程縮短為 12 年。NASA 抓住了這次機會。1977 年，旅行者 1 號和旅行者 2 號探測器發射升空。兩枚探測器如願造訪了木星、土星、天王星、海王星以及它們的衛星，拍攝並傳回了大量珍貴的照片2。1990 年 2 月 14 日情人節，旅行者 1 號越過冥王星軌道，回望地球，為太陽系拍攝了一張全家福。

在這張全家福中，地球尺寸小於一個像素點，從這麼遙遠的距離看，地球上所有國家的邊界都不復存在，所有戰爭、衝突和矛盾都變得毫無意義，幾千年來多少物種興衰、王朝更替都顯得微不足道，地球在浩瀚宇宙中是如此渺小，遑論人類。這張名為「暗淡藍點」（Pale Blue Dot）的地球照片也成為航天史上偉大的攝影作品。

圖 4. 旅行者 1 號拍攝的地球照片，你找到地球了嗎？圖片來自維基百科

得益於多次引力彈弓效應的加速，旅行者 1 號是目前飛行速度最快的人造飛行器；時至 2012 年 8 月 25 日，旅行者 1 號成為首個飛出太陽系的人造飛行器3；目前旅行者 1 號正朝著銀河系中心前進並與地球保持聯繫，科學家推測它將服役至 2025 年左右。此後，它將孤獨地飛向群星。

圖 5. 旅行者 1 號，圖片來自維基百科三、黑洞長什麼樣？

在電影裡，主角一行在陌生星系裡探險時遭遇並近距離接觸了名為卡岡圖雅的黑洞。電影很清晰地展示了卡岡圖雅黑洞的細節：圓形的、完全黑暗的黑洞，以及環繞其周圍的由氣體、塵埃等構成的吸積盤（Accretion disks）。吸積盤向外輻射光和熱，它高速旋轉，如流水般流淌並包裹著黑洞，使完全黑暗、沒有任何表面細節的黑洞被清晰地勾勒出輪廓並展示在大家面前。

圖 6. 卡岡圖雅黑洞，圖片來自電影截圖

圖 7. 卡岡圖雅黑洞吸積盤的「流動」，圖片來自電影截圖

那麼，電影裡的黑洞是怎麼得到的呢？它「真實」嗎？

事實上，片中黑洞的景象是十分嚴謹的。《星際穿越》的製作團隊為了確保片中所呈現的物理和天文現象的正確性，邀請物理學家基普·索恩（Kip Throne）作為執行製片，為電影所涉及的大量專業理論提供支持和監督。片中卡岡圖雅黑洞的造型正是由基普·索恩親自操刀「繪製」。

基普·史蒂芬·索恩（Kip Stephen Thorne）是從事引力物理和天體物理學研究的理論物理學家，於 2017 年獲得諾貝爾物理學獎。看過美劇《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）的讀者應該對基普老爺子不陌生，他曾在《生活大爆炸》第十二季中客串出演，在劇中扮演他自己。

圖 8. 《星際穿越》的視覺特效總監保羅·富蘭克林（左）與執行製片基普·索恩（右）

圖 9. 基普·索恩（右一）客串出演《生活大爆炸》，圖片來自《生活大爆炸》

探索頻道（Discovery）於 2014 年 12 月播出了一期特別節目「星際穿越》背後的科學」，節目便介紹了片中卡岡圖雅黑洞的誕生過程。首先，基普·索恩解出了追蹤光線繞行黑洞的方程式，在數學上描述了近距離觀察時吸積盤的樣子；然後，視覺團隊對基普的數學描述和計算結果進行模擬，在屏幕上呈現卡岡圖雅黑洞的形貌。這是一次精彩的科學數據可視化操作，其所呈現的黑洞圖像和動畫令基普·索恩都感到驚訝。

在電影播出的幾年後，人類才首次目睹黑洞的直接拍攝照片。2019 年 4 月 10 日，事件視界望遠鏡合作組織召開全球新聞發布會，發布了於 2017 年 4 月 11 日拍攝的位於室女 A 星系的黑洞的照片，這是人類首張直接拍攝的黑洞照片。在這張「模糊的」照片中，黑洞被光環所包圍，這些光線被認為是環繞黑洞的物質所發出的，光線在黑洞強大的引力下扭曲形成光環。

圖 10. 事件視界望遠鏡合作組織公布的黑洞照片，圖片來自維基百科

2019 年 9 月，NASA 公布了黑洞的模擬動圖。在這個動圖中，圍繞黑洞高速旋轉的吸積盤、黑洞被成為「事件視界」的邊界均清晰可見。對比可以發現，NASA 所公布的黑洞模擬動圖與電影所展示的黑洞圖像和動畫幾乎如出一轍。我們對此其實不必感到驚訝，畢竟電影中的黑洞來自於領域權威基普·索恩。從科研的角度來看，《星際穿越》的視覺特效團隊儼然成了基普·索恩的科研團隊了。

圖 11. NASA 公布的黑洞模擬動圖，圖片來自NASA

更多對電影中黑洞的解析和討論，歡迎查看連結。

四、Eureka!

電影裡，墨菲根據所獲得的量子數據，終於成功解開了方程組。她激動地將草稿紙拋撒向空中，開心地喊道「Eureka!」，然後回頭跟小夥伴說「It's traditional.」(這是傳統)。

這是一個有意思的致敬彩蛋。「Eureka」一詞源自希臘語，是用於發現某項真相時表達激動之情的感嘆詞。據說古希臘學者阿基米德在泡澡時看到因身體坐進澡盆而溢出的水，悟出計算不規則物體體積的計算方法，解決了國王委派的檢驗王冠含金量的難題。這時他便開心地高喊「Eureka!」「Eureka」這個詞就在阿基米德的助攻下在科學界走紅了。

圖 12. 墨菲高喊「Eureka」。圖片來自電影截圖

如果你是《荒野亂鬥》玩家，那你可能已經留意到，遊戲裡的英雄卡爾有一句臺詞就是「Eureka」，這又是一個「Eureka」彩蛋。從卡爾的裝備和臺詞來看，他是一名地質學家。安排他來說出「Eureka」彩蛋十分合理、自然。有趣的是，卡爾的另一句臺詞是「Geology rocks!」，這是一句巧妙的雙關，《生活大爆炸》中的地質學家 Bert 也經常將它掛在嘴邊。

圖 13. 《荒野亂鬥》裡的英雄卡爾

下次，當你終於解決了一個難題或者獲得了重大發現，不妨高喊一聲「Eureka」來表達喜悅吧。

結語

在我看來，《星際穿越》是一部偉大的科幻電影，不只是因為它精彩的劇情和震撼的視覺特效，而更多是因為它成功地讓科學與科幻相互作用，展示了太空旅行和探索的無儘可能。我十分讚賞電影製作團隊的理念：希望更多的人因此而對科學產生好奇，從影片中獲得太空旅行和探索的知識。

就像節目「《星際穿越》背後的科學」所說：

也許有朝一日，這些孩子中的一位會踏上火星，或者在推進系統領域取得突破，或在天體物理學領域掀起一場革命。激發他們的熱情，是《星際穿越》團隊的希望。

電影裡還有很多科學細節值得挖掘。比如電影所展示的蟲洞有什麼科學依據和創作故事？另外，在電影裡時間「拉伸」與「壓縮」推動著劇情的戲劇性發展，這個「爛柯人」現象與黑洞附近強大的引力密不可分，我們可以利用它來實現時間旅行嗎？等等。由於個人的精力和能力有限，諸多有意思的細節無法一一展開討論了。歡迎大家一起挖掘和分享更多科學細節！

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