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看懂【星际穿越】必须知道的几个理论知识

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《星际穿越》主要讲述了一对探险家利用他们针对虫洞的新发现,超越人类对于太空旅行的极限,从而开始在广袤的宇宙进行星际航行的故事。 要看懂这部电影,以下几个名词必须要搞懂:一、黑洞。二、虫洞。三、奇点。四、五维空间。五、弹弓效应。六、时间膨胀。七、平行宇宙。

一、黑洞
宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于巨大的引力作用,光线都不能逃脱。以至于它完全不反射任何光线的,看上去一片漆黑,故名为黑洞。1969年由美国物理学家约翰?阿提?惠勒命名。黑洞是质量足够大的恒星在“燃料”耗尽而“死亡”后,发生引力坍塌产生的。黑洞产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无力逃脱。
物体进入黑洞是非常复杂的一件事,因为黑洞的引力过于强大,所以物体接近黑洞后,就被吸在了一个巨大的绕着黑洞旋转的盘上,这个盘叫吸积盘。通过释放引力势能,吸积盘上的物质转化为能量,因此吸积盘上是几百万高温的等离子体,同时放出大量的高能射线。
《星际穿越》这部电影画面中呈现的黑洞,是30个人使用数千台计算机,用一年的时间,制造出的电影史上最准确的黑洞模型,绝对的震撼。

二、虫洞
一般认为虫洞是连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞就像多维空间隧道,像是大海里面的漩涡,无处不在但转瞬即逝。虫洞可以把平行的宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。
举例来说,可以将一张纸条视作通常的空间,那么从位于纸条一端的一点到位于另一端的一点需要很长的距离,但是把纸条两端连接在一起,那么两点间的距离就很短了。虫洞的科幻意义巨大,但遗憾的是至今没有任何证据表明虫洞的存在。

三、奇点
《星际穿越》影片中在飞船驶向黑洞边界时多次提到了“奇点”,奇点是时空中的一点,在该处时空曲率或其他的物理量都变得无限大,它具有一系列奇异的性质,无限大的物质密度、无限大的压力、无限弯曲的时空等。
大多科学家认为它是宇宙产生之初,由爆炸而形成宇宙的那一点。它具有所有物质的势能,而这种势能----正是由大爆炸而转化为宇宙物质的质量和能量,我们可以想象,奇点是一种没有固定形状的、没有体积的不可思议的存在。

四、五维空间
大家都知道,一条线是一维空间,一个平面是二维空间,一个立体是三维空间,而我们的世界是由时间支配三维物体形成的四维空间。超过四维空间的更高维度就被我们称为高维空间。影片中出现的高维空间主要是五维空间,也就是我们世界更高一级的空间。
五维空间到底是怎么样的呢?我们可以运用类比来推断。在四维空间,三维物体是一切物质的组成基础,而时间则是整个四维空间活动的基本,没有时间,一切都是静止的,就和三维空间没有区别。那么在五维空间,四维物体可能就是一切物质的组成部分。可能组成五维物体最基本的元素就是一整个四维空间,在这个元素中包括我们所有已知的世界。四维空间是五维空间的子集。

五、弹弓效应(或引力弹弓)
“弹弓效应”是一个物理名词,指的是小天体等借助大质量天体重力获得更大动能,这个概念被推广开来就是借助外界条件让自己获得加速度的意思。
也是电影中宇宙飞船飞行的一种必要手段。现在很多的探测卫星都采用弹弓效应来借助星球引力使自己加速,尽可能地节省燃料,同时,引力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。靠着这种方式,在星际间弹来弹去,最后到达目的地。

六、时间膨胀
时间膨胀贯穿《星际穿越》整个剧情,电影中主角在进入太空后便遇到了时间膨胀,宇宙中主角们的时间和地球上的时间可以用“天上方一日,地上已千年”来形容,这样的时间错乱给电影增加了一丝悲凉和无奈的气氛。至于时间膨胀本身,则是一种物理现象。
在相对论中,空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如,向着我们以接近光速速度运动的一个时钟本身所标明的时间,比另一个与我们相对静止的时钟走得慢些。
有了时间膨胀效应,人们在以极高速运动的飞船上时,尽管外界已经经历了很长的岁月,自己却没什么老化,因为极大的速度会使飞船(和里面的所有物体)的时间减慢。也就是说,飞船的时钟走了一圈,地球上的时钟已经转了许多圈了。


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