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重温经典,导演诺兰用科学构建的未来世界诞影

图片说明:重温经典,导演诺兰用科学构建的未来世界诞影,。

2014年,由[里斯托弗·诺兰]执导的科幻冒险电影《星际穿越》在全球上映,引发观影热潮。该部影片获得第87届“奥斯卡金像奖”最佳视觉效果奖和第6届“韩国年度电影奖”最佳外语片奖,并获得多项国际电影大奖的提名。


豆瓣评分


这部构思宏大的电影在探索人类之间亲密感情的同时,也讲述了对宇宙的思索,非常引人入胜。(《好莱坞报道者》评)


电影的叙事和大胆的构思将你推入其宏大且可信的架构中,诺兰距离创作出他的绝世佳作不远了。(《每日电讯报》评)


《星际穿越》是一部伟大而经典的科幻电影。因为它不仅仅是一部商业视效电影,更承载了人类对于未来空间的科学探索和发展使命。同时,它也是科学推广的传播者,是广大影迷接触科学知识的引领者。


整部电影在宏观格局、人文精神、科学内涵、拍摄手法、视觉表现、音乐等多个层面均有可圈可点之处。在分析电影之前,首先需要看懂影片。《星际穿越》在上映期间,曾因为影片包含的大量科学知识让许多人直呼“看不懂”,也引发了影迷对于该片各种科学术语的讨论。笔者当年三进影院观看此片,反复推敲,方才明白影片的来龙去脉。在分析该片其他层面之前,今天先对该片的科学内涵进行逐一解读。


该片故事背景发生在不久的将来,地球受到人类过度开发和污染,生存环境日益恶化。人类工业文明严重退缩,农业和粮食成了人们最关心的事情。然而,“枯死病”让大量的农作物枯萎死亡,粮食的获取越来越难,预计人类在不到一百年的时间就会因为挨饿和环境污染而消亡。地球显然已经不适合人类长期居住,为此航空局秘密进行“移民计划”。要么将全人类带离地球去往新的星球(A计划),要么将人类受精卵细胞带往新家园繁殖,保留人类文明的火种(B计划)。十年前,航空局已经发送了十多艘飞船前往各个可能存在生物生存条件的星球,其中有三个星球发回了“可行”的信息。接下来,前宇航员“库珀”与“布兰德”女博士一行专家带着人类基因库乘坐飞船前往这三个地方,准备一一验证。


在影片开头,库珀带着儿子和女儿开车去学校,路上遭遇爆胎,儿子说出了一个词:“墨菲定律”。

墨菲定律


墨菲定律是一种数学推理,由爱德华·墨菲(Edward A. Murphy)提出。原文为:如果有两种或两种以上的方式去做某件事情,而其中一种选择方式将导致灾难,则必定有人会做出这种选择。根本内容是:如果事情有变坏的可能,不管这种可能性有多小,它总会发生。这个理论从概率统计学上强调了任何可能存在风险的事情不论多久,在时机成熟的时候,就一定会发生,比如隔几年出现一次的空难。这对于预防危机是一个很重要的理论基础。


片头和片尾中,五维空间的库珀通过沙尘在女儿墨菲的房间里传递出二进制的航空局坐标。

沙尘以二进制形式展现坐标


二进制在数学和数字电路中指以2为基数的记数系统。这一系统中,通常用两个不同的符号0(代表零)和1(代表一)来表示。据传由18世纪的德国数学家莱布尼茨发明并率先使用(最早可追溯至中国远古时期),是现代计算机和通信的重要基础。


我们现在常用的0到9是十进制数字,与二进制的对照如下:


两种进制对照表


位置坐标(经纬度)同样是用一串数字表示,可以很容易用二进制进行转换。因此影片中库珀利用这个二进制传递的坐标准确的找到了航空局精确位置。


影片前段,墨菲说“幽灵”用摩尔斯密码向他传达“stay”(留下)的信息。影片结尾,库珀同样用摩尔斯密码通过手表向女儿传送量子数据。

手表的跳动代表摩尔斯密码


摩尔斯密码(Morse code)是一种时通时断的信号代码。它通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号;是一种早期的数字化通信形式。但是它不同于现代只使用零和一两种状态的二进制代码,它的代码包括五种: 点、划、点和划之间的停顿、每个字符之间短的停顿、每个词之间中等的停顿以及句子之间长的停顿。在许多谍战影视剧中经常出现。比如国际通用求救信号SOS,其摩尔斯密码为“ ...---...”(三点,三长,三点)。


摩尔斯密码对照表


库珀第一次在航空局看到宇宙飞船时说:“整个设施就是一个大型离心机”。在太空中,整个空间站都在旋转运行。这里涉及到两个科学知识:“离心力与重力”。

环形空间站利用自身旋转提供重力


“离心力”:当物体在做非直线运动时(如:圆周运动或转弯运动),物体产生的惯性方向的力。比如开车时高速转弯的过程,车向右转弯,我们的身体则是向左倾斜,并承受相应的压力。此时,身体产生了与运动主方向相反的作用力,即离心力。


“重力”:英国著名的物理学家艾萨克·牛顿于1687年提出“万有引力”定律,并引申出“重力”的产生原因。简单理解就是地球对地球上所有物体都会产生引力,我们称之为重力。


因为有重力,我们才能稳稳的站在地上行走,而不是漂浮在空中。但太空中重力几乎没有,人长期在无重力空间生活会面临很多生理健康问题,因此影片中利用旋转的空间站制造离心力,从而模拟出重力效果,人就可以在上面行走和生活。


环形空间站


不过,这种能提供重力的环形空间站目前仅出现在科幻小说和影视剧中,相信将来会出现。


库珀驾驶着永恒号飞抵土星时,遇到了球型的“虫洞”。

虫洞模型


虫洞(Wormhole)又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设,认为透过虫洞可以做瞬时的空间转移或者做时间旅行。影片中罗米里通过手中的纸和笔简单解释了虫洞的含义:通常我们理解的两点之间直线最短的理论仅在平面世界有用,换到更高阶的维度,这个理论就不一定适用。弯折叠合到一起的两个世界通过“虫洞”会近许多。这是目前做星际间穿越较多的一套理论方案。


穿过虫洞后,飞船抵达了米勒和曼恩博士所在的两个星球附近,旁边则是一个巨大的“黑洞”。

剧中“黑洞”


“黑洞”一词由美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒提出。现代广义相对论中,黑洞是存在于宇宙空间中的一种天体,引力极其强大,连光都无法从中逃出。当一颗恒星(如太阳)衰老时,它的热核反应(如同无数的氢弹爆炸)已经耗尽了中心的燃料,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度,质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。


在米勒星球上,库珀一行人遭遇了百米高的巨浪,这主要是由于受到旁边卡冈图雅黑洞的影响,产生了巨大的“潮汐力”。

潮汐力产生的百米巨浪


潮汐力:当引力源主体对物体产生力的作用时,由于物体上各点到引力源主体距离不等所以受到引力大小不同,从而产生引力差,对物体产生撕扯效果,这种引力差就是潮汐力。比如很长的一艘飞船在飞向一颗超大星球的过程中,飞船头部受到的引力和尾部受到的引力相差很大,这个前后的引力之差就是潮汐力,巨大的潮汐力可以将飞船撕裂甚至撕碎。《流浪地球》中的“洛希极限”也与此有关。


潮汐力示意图


库珀团队第一个要去的星球是米勒星球,但受到这个星球的引力影响,这个星球上的一小时相当于地球的7年。这就是爱因斯坦的“相对论”。

相对论


相对论是现代物理学的基础,分为狭义相对论和广义相对论,是犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1905年和1915年分别发表的重要物理理论。整套理论较为复杂,可以简单理解为:运动速度、引力大小和时间的关系。高速运动的物体会使时间变慢,同时强引力场也能够使时间变慢。比如地面附近的引力场比地球同步卫星轨道处的引力场强,因此地面上和地球同步卫星轨道上的时间流逝快慢不一样。在高精度卫星授时和通信中,就必须考虑相对论带来的时间差异。


回到影片中,米勒星球处于卡冈图雅黑洞的强大引力边缘,明显大于地球的引力。因此在米勒星球上,库珀和布兰德仅仅停留了两个多小时,回到飞船上时,罗米里和地球上的人们已经过去了整整23年。这就是相对论中引力场带来的时间效应。


曼恩博士破坏空间站后,空间站已经没有足够的燃料将库珀和布兰德带回地球。库珀决定利用卡冈图雅(黑洞)的“弹弓效应”将飞船送到最后一个可能存在生命条件的艾德蒙斯星球。

弹弓效应,又称引力弹弓,是发射宇宙飞行器很重要的助推方式。即利用沿途中的星球自身的引力使飞行器加速,仅需在合适的轨道施加额外燃料作为动力跳转到下一个星球的引力范围,继续获得下一个星球的引力加速。这样可以大大节约燃料,提高航行效率。每一个沿途的星球都可以当做弹弓,飞行器则是弹子。


弹弓效应


影片从一开始到结尾,都在强调攻破引力方程的最重要数据:黑洞里的“量子”数据。

量子一词由德国物理学家M·普朗克在1900年提出。它与相对论并称为现代物理学的两大基石。一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。通俗地讲,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。可以理解为某个物质的最小单位。就像一辆汽车,上万个零部件就是量子;而一栋房子,每一块砖、每一粒沙子也是它的量子。


在影片快要结尾处,库珀从黑洞中坠落到女儿墨菲的书房,处在五维空间里。这个“多维空间”墨菲却看不到。

剧中五维空间立方体


多维空间常用来描述不同维度的世界。比如一维空间是一个点,点移动成线就变成二维空间。同理,把二维的线铺开就形成了三维空间的平面。拉动平面就会看到一个立方体,这就是我们目前生活的四维空间。五维、六维空间呢?按理也可以这样推演。只不过受限于我们目前的物理知识和观测水平,我们不知道五维空间长什么样,如同三维空间的生物不知道四维空间的状态一样。打个比方,做设计的朋友都知道,新版本的软件可以打开所有老版本的文件,但是老版本的软件往往不能打开新版本的文件。


在一部电影中,巧妙的融入如此之多的科学理论,《星际穿越》绝对是前无来者。与一般科幻电影不一样,这部影片所有看起来奇幻无比的画面都是科学的完美演绎。整部影片由知名理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩参与科学顾问,以严谨的科学态度对待每一处细节。这才造就了《星际穿越》这部电影的成功。人类要发展,科学无止境,就让这些科学的先驱者照亮科学的前进之路吧!


文/诞影


图/网络



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