科幻与科学：《星际穿越》中的黑洞卡冈都亚

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　　克里斯托弗·诺兰凭借指导《星际穿越》入围第41届美国科幻恐怖电影奖土星奖最佳导演。2014年末，《星际穿越》再一次在中国引发了科幻浪潮，《星际穿越》中的科学事实、猜想和推测引起了观众的无限兴趣。而黑洞卡冈都亚在电影中扮演了重要角色。

　　图1为《星际穿越》海报

　　黑洞—光都无法逃逸的牢笼

　　黑洞是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的，除此无他。

　　假如你是一只蚂蚁，生活在一张儿童蹦床上——那种由高高立柱支撑起来的橡皮膜。此时，一块很重的石头落在其上，把橡皮膜拉向下方。不过，你是一只失明了的蚂蚁，看不见立柱、石头或者弯曲的橡皮膜。但你是一只聪明的蚂蚁，你怀疑自己生活于其中的整个橡皮膜（宇宙）是弯曲的。为了验证橡皮膜的形态，你先在橡皮膜上方靠外围的区域绕了一圈，并测量了圆圈的周长，然后你从这个圆圈的一头穿过中心点径直爬到另一头，并测量了圆圈的直径。如果你所在的世界是平直的，那么圆圈的周长和直径的比值应该正好等于圆周率。可是在蹦床上，你发现圆圈的周长比直径还要小得多。这让你肯定，你的宇宙是高度弯曲的。

　　图2为爬在橡皮膜上的蚂蚁

　　在无自旋的黑洞周围，空间弯曲和蹦床类似。取黑洞的赤道面切片，你就会得到一个二维的表面。从高维空间中看，这个表面的弯曲方式和蹦床一样。图3展示了黑洞弯曲的空间，看起来和图1一样，只是我们移去了立柱和蚂蚁，并在黑洞中心用奇点代替了石头。

　　图3：黑洞的弯曲空间

　　奇点是一个非常小的区域，在那里二维表面变成了一个点，所以空间才会产生“无限扭曲”。在奇点处，潮汐力无限强大，任何已知物体都会被拉伸和挤压到无法存在。

　　蹦床的弯曲是由石头的重量产生的。同样地，我们可能会猜想，黑洞的空间弯曲也来自奇点。但并非如此。事实上，它是由引起空间弯曲的巨大能量造成的。

　　正如准备射箭时拉开一张硬弓需要很多能量一样，空间弯曲也需要大量能量。而与弯曲的弓存储了弯曲能量类似（直到松开弦，能量才会从弓传送到箭上），弯曲能量也存储在黑洞的弯曲空间中，对黑洞来说，弯曲能量是如此巨大，以至于它本身就可以产生空间弯曲。空间弯曲这种非线性、自我循环式的行为违反了我们的日常经验，却正是爱因斯坦相对论物理定律的一个基本特性。这有点儿像科幻小说中，主人公回到过去并孕育了自己的情节。（《前目的地》这个电影有这样的情节。）

　　这种自我循环式的空间弯曲并不在太阳系中发生。空间弯曲在整个太阳系中都显得非常小，这种能量也微不足道，远达不到产生循环式弯曲的级别。太阳系内几乎所有的空间弯曲都是由质量，包括太阳的质量、地球的质量、其他行星的质量直接产生的。相反，黑洞的空间弯曲则完全由弯曲自身造成。

　　黑洞卡冈都亚的构造：推测却无法证实

　　如果我们知道黑洞的质量和它的自旋速度，那么通过爱因斯坦的相对论物理定律，我们便可以推算出黑洞的其他性质：大小、引力强度、视界在赤道附近因离心力而向外延伸的程度，以及黑洞对其背后天体所产生的引力透镜效应的细节，甚至黑洞所有的性质。（就好像一旦知道了我的体重和奔跑速度，就能推断出关于我的一切）正如电影《星际穿越》所展示的，通过研究米勒星球的性质，物理学家通过相对论推断出卡冈都亚的质量和自旋速度，从而了解关于此黑洞的所有事情。

　　而对于卡冈都亚的结构奥妙，只能去推测而无法证实。

　　《星际穿越》的科学顾问基普·索恩在解读星际穿越的时候，曾经对卡冈都亚做了合理大胆地推测。

　　图4为卡冈都亚的结构

　　在如图的卡冈都亚周围，有一个类似“火壳”的东西。引力在黑洞附近是如此强大，空间和时间弯曲是如此强烈，以至于光线会被困在视界外的轨道上，绕着黑洞一圈又一圈地转动，很长时间后才可以逃脱。这些禁锢光线的轨道不稳定，因为光线最终总会逃离它们。索恩教授喜欢称这些暂时被禁锢的光线为“火壳”。

　　可能《星际穿越》在中国引起的热潮已经过去，但通过这部电影我们可以更大程度地去了解宇宙，了解那些神秘的科学力量。电影中的每一个华丽特效都是一场严谨的科学追求，希望中国未来的科幻电影也要有如此探索的精神。

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