看电影+谈物理《星际穿越》.doc

物理解读《星际穿越》科幻电影是好莱坞类型电影里的一个分支。它的情节往往包含了各种各样的科学奇想,有依附于现有已知科学定理的,也有关于未来图景的超前假想。和其它类型电影一样,科幻电影是电影工业化的产物,其人物、叙事和主题都有一定的模式,就像批量生产的圣诞节商品,主要目的是满足人的娱乐需求。作为类型电影的缺陷也很明显,大部分科幻电影往往注重视觉奇观而缺少深刻的内涵。当然,其中也不乏一些在美学、思想和历史上有价值的经典作品。以下,我将以科幻电影《星际穿越》为例,其中有一些影视作品所钟情的物理元素,从中探寻科幻电影和科学尤其是物理学之间的联系。职员表:制作人:克里斯托弗·诺兰;史蒂文·斯皮尔伯格;艾玛·托马斯导演:克里斯托弗·诺兰编剧:乔纳森·诺兰;基普·索恩(理论物理学家);克里斯托弗·诺兰摄影:霍伊特·范·霍特玛配乐:汉斯·季默艺术指导:内森·克劳利造型设计:玛丽·索弗瑞斯视觉特效:,物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加,同时,空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化,即会发生尺缩效应和钟慢效应。当你运动的速度足够接近光速的时候,就会出现时间膨胀。时间膨胀公式如下:Tship=Tearth(1-v2/c2)/2(以上公式显示,相对于地球来讲,太空船必须以v=,才能获得《星际穿越》中那么长的时间膨胀量。)因此,虽然从理论上来说,假如你的飞行速度足够接近光速,你就能很快到达一个地方。但是,当你到达目的地时,你很难搞清楚地球上今夕是何年,总统是何人。当你返回地球时,你的孩子可能比你还老。黑洞在相对论之前,物理学中承认两条极重要的守恒定律,一条是能量守恒定律,一条是质量守恒定律,两条基本定律似乎彼此独立。但通过相对论它们便可结合成一条定律,质量和能量可以变成互换的项目。一个物体如果放射出能量就会损失质量,如果接受能量就会增加质量,当一物体加快运动时,它的能量和质量都会增加,在光速的情况下,它的质量将变成无穷大。这个质量与能量的关系可以通过数学上推导,写成一个表达式:E=mc2(E为能量,m为质量,c为光速)。1、为何主角们在虫洞里只能接收信息,从未向地球发送信息?那个在土星附近,连接太阳系和外星系的虫洞,无疑是本片最大的亮点。虫洞作为爱因斯坦的广义相对论框架下时空的一个可能解,早在上个世纪初就被从理论上给出过。只是当时没人在意,直到1930年代被爱因斯坦和罗森再次“发现”(他们也不知道之前就有人解出来过)。这种可以在三维空间里制造“时空跳跃”的结构,被称为“爱因斯坦-罗森桥”。但是根据广义相对论,如果没有特殊手段维持虫洞,虫洞的寿命几乎是0——刚刚形成的超时空连接会在瞬间断开,这个瞬间短到哪怕光也来不及穿越。在《星际穿越》中提到,这个虫洞是”They”放置在那里的,按照基普·索恩的解释,这种超级文明可能是通过高维空间打开了这个通道,无论如何,这种保持开放的虫洞具有和黑洞不同的性质:它不存在所谓奇点,也不需要多少质量,也没有类似黑洞的“视界”:它的大小取决于通道本身的宽度,当然由于通道周围也会有一点时空弯曲,依然能看到类似黑洞的引力透镜效果。虫洞看起来啥样主要取决于它另一端在哪儿,就像一个远程鱼眼镜头。把图像呈现在它的球形表面通道的“长度”越长,我们看到的图像就越扭曲,所以电影里的是一个通道较短的“短脖子”虫洞。影片中的虫洞虽然是双向的,但是主角们穿越之后似乎从未向地球发送信息,而是只能接收。和系里的美国同学讨论之后,我们认为这是导演为了情节的刻意安排,而影片里的解释是往回发送信息的速率非常之低,比拨号上网还要低好多倍……2、电影里对黑洞的表现如何?《星际穿越》中的黑洞,除了黑色的部分之外,想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘,具体的释放机制主要是粘滞加热。大家知道,如果这个盘是个整体的话(不同半径角速度相同),那么越到内侧盘的线速度应当越来越小,但实际上在引力作用下,盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动:轨道越低(内侧),线速度反而越大,这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物质是在相互“滑动”的,这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘,因为初始角动量的存在,这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向(想想太阳系为何也差不多在一个平面上,类似的道理),所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。于是,大多数时候,我们看到的黑洞是如下图这样的。当然,我们还知道黑洞本身不发光,引力会弯曲空间,于是我们看到的黑洞还是这样的:但是如果我们走的够近,黑洞也能弯曲背面的吸积盘的光线,最终会看到什么样的图像呢?也许你注意到了,电影里似乎没有出现多普勒频移(多