《星际穿越》关于时空理论的一些问题的解释

席德

在我刚上小学时，正值文革结束后不久，所谓“科学的春天”，课外书中科幻类的连环画和故事书是我的最爱。其中《珊瑚岛上的死光》、《小灵通漫游未来》、《金明探案集》等让我印象深刻，所以至今也喜欢此类题材的作品。只可惜随着社会环境的变化，八十年代中国特色科幻作品最终没能发展起来形成一股独树一帜的文学分支。
　　这几天电影《星际穿越》上映后反响很强烈，于是周末带女儿去看了。电影里需要脑补的东西较多，又因为放映厅里闷热、音响效果强烈，看完后女儿直喊头晕。
　　与其它只借科学理论皮毛进行剧情展开的科幻片不同，《星际穿越》算是近年来难得的大体符合物理学理论的电影。导演克里斯托弗·诺兰之前执导过《盗梦空间》，其想象力与执导水准让人称赞。为了让电影里面的场景更符合现代前沿理论，诺兰更是请加州理工学院费曼理论物理学教授基普·索恩担任本片的科学顾问。
　　电影大体讲述了未来随着环境恶化，地球渐渐不再适于人类生存，因此美国太空总署就计划向外太空移民。主人公库珀作为一名前宇航员被派往穿越土星附近出现的虫洞，寻找另一个星系中宜居的星球。
　　影片中涉及到的物理学理论有虫洞、黑洞、时光旅行、多维空间等，这些前沿理论有的已得到证实，有的还只是理论推测。亚里士多德时代人们相信时空是均匀、恒定不变的，牛顿力学则指出空间不是固定的，即不存在绝对静止的物体；而爱因斯坦的相对论则表明时间也不是恒定的，即运动物体越接近光速则时间越慢，并且大质量物体附近时空都会弯曲。电影中库珀穿越了虫洞来到另一个星系，在其中一个星球因意外多耽搁了一个多小时，结果回到空间站就已经过了27年。
　　在人类文明初始，对自然界一切充满了敬畏与崇拜，对未来的变化持不可知论。但到了十九世纪随着科学的发展，人们揭示了物理学的一些基本定律，认为物理学研究已达终点，并认为在一组给定的初始条件下，可以用现有定律推导出未来的结果：比如从高空掉下一块石头，我们可以精确地计算它到达地面的时间。以此为基础，可以推断人类及宇宙的确切未来，换言之，就是你将来的一切都由科学定律所决定，包括你的所思所想；个人的所有努力都不会改变未来的结果，因为你的思维也是由一组数据所决定，这就是科学宿命论。当然，很多人反对这样的结论，因为这让人类的付出与辛劳毫无意义。这种思想在一些科幻片中也有反映，如《终结者》系列，人们回到过去希望阻止计算机智能网络毁灭人类，但最终来自未来的科技却促成了人类的毁灭。
　　幸好二十世纪初科学家提出了量子理论。传统上人们认为时间与空间是可以无限细分的，比如庄子就说过：“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”但量子理论认为，在微观尺度下，时空是不连续的，而是分成一份一份，称之为普朗克时间与普朗克距离；并且在这种尺度下，粒子的位置和速度是无法同时测准的，即外界的观测者必然会干扰粒子的运行状态，称之为海森堡测不准定律。这说明我们无法完全准确地预测未来，并且给了我们希望，毕竟未来并不确定，通过自己的努力是可以改变的，否则人类社会就太令人绝望了。作为量子学说提出人之一的爱因斯坦却拒绝这一理论，他认为：“上帝不掷骰子！”但无数的现代实验及实用科技已经证明了量子理论的正确性。基于此，电影中库珀为了女儿、家庭的努力和付出才有意义，人性中的爱才有了超越物质的力量，而不是一组冰冷的数据组合。
　　相对论与量子理论是二十世纪最伟大的两个理论，也是现代物理学的基础，然而两者却无法完全统一，甚至有自相矛盾之处。为了解决这个问题，科学家提出了弦理论，认为物理学基本对象不是粒子而是一条只有长度没有宽度的线，称之为弦；粒子只不过是弦的波动表象，粒子的质量是费米子在希格斯玻色子场中运动产生的惯性；而且为了统一相对论与量子理论，现有时空维度至少是十一维：其中三维空间是我们所熟知的世界，而其余的十维被卷缩成一个极小的点而不为我们所查知。在两维的空间如一张纸上，如果有一只二维的**要爬到相隔较远的两点需要不少时间，但在三维空间中，我们可以把纸对折让这两点叠合在一起，**就可以直接从一点到达另一点，这就是虫洞！同样，在四维空间中也可以折叠三维空间从而形成空间通道，电影中土星边上虫洞因此而来。
　　超过太阳质量两位以上的恒星死亡后可能会塌缩成一个很小的奇点，因为具有极大的引力，导致它吞噬周围一切物体，连光也跑不出来，这就是黑洞。库珀最后选择掉入黑洞，理论上会被黑洞撕成碎片，但电影中他却被未来他所营救的人类在四维空间所救，并依靠高维空间的优势，向过去时空的女儿发出拯救人类的关键信息；说起来都很绕口啊。这一段虚构想象的多，因为时间可以变慢却不能回返；而且即使回返，也可能因为时间的不对称性而不知道回到什么奇怪的情景。

　　待续。。。