星际穿越中的物理学研究论文

《星际穿越》是14年英美联合制作的科幻片。该电影主要讲述了，地球农作物因气候变化变得枯萎，成为农民的库珀是美国航天航空局的工程师和驾驶员，库珀十岁的女儿在自己房间发现了奇怪的现象，书架上的书老是往地上掉，后来，库珀在一场风暴后，在自家发现了一个现象，风沙组成了一个坐标。库珀和女儿变开车来到这里，发现是一个美国航天航空局的秘密基地，随着他们的介绍，库珀了解了他们的计划，多年来他们已派遣了多名科学家去穿梭虫洞寻找能够让人们居住的行星，为了防止人类灭绝，男主答应请求，去穿越虫洞。其中跌宕起伏，发现了一些秘密，但是这一去就去了91年，最后库珀回来的时候，他的女儿墨菲已经年老垂死了，他的女儿不想让父亲见到自己离开，就让他去寻找艾米莉亚。最后男主再次出发。

、母子怪圈虽然回到过去没有科学依据支持，但科幻片毕竟是科幻的，所以出现回到过去的剧情也是有可能的。这时就有一个每部有关穿越时空的科幻片都面临的问题：假如我有时间机器（虫洞或者别的），我就能够回到过去母亲怀我之前把她杀死。此时，母亲死了，我就不会出世，那又怎么会有我穿越时空来杀母亲呢？这时就有这样一个矛盾出现了。对于这个矛盾，有两种处理方法：①因果循环观点：历史不可改变，我虽然想杀母亲，但会有外界因素使我不能成功。或者说，过去某时某人死了，我回到过去想救某人，会有其他因素阻止我救人，甚至我的出现就是那个人死的原因。②平行宇宙观点：时空不是唯一存在的，而是有无数个时空平行的存在，它们彼此之间一般情况是无法产生联系的。这种观点普遍被人接受。那么我只是穿越到另一个平行宇宙，杀死了那一个时空的母亲，并不影响我穿越前那个宇宙的母亲。也就是说我只是穿越到别的时空去了一趟而已，而不是回到过去或未来，更无所谓改变历史。星际穿越如果出现这种情况，诺兰会不会有什么不同于以上两种说法的新颖处理方法没有呢？

《星际穿越》中的物理知识有：

1、虫洞：

虫洞简单来讲就是连接两个遥远时空的多维空间隧道，我们可以把一张纸按中间对折，在纸的两面的同一位置标记一下，然后再折起来，使那两个点重合，此时，如果你从一个点进去了，瞬间就会从另一个点出来，这就完成了时空穿梭，虫洞就是这个原理。

2、维度：

一维、二维、三维相信大家已经很熟悉了，我们也经常听到点动成线，线动成面，面动成体这个结论，我们不难发现，后一个为维度都是由前一个维度组成的，既然三维是一个空间。

那四维就是由无数个正方体组成的，同时我们也可以将我们存在的三维空间中每一秒存在的状态看作一个正方体，那么四维空间中我们就可以浏览我们生命中的每一个片段，即已经超越时间，时间在四维空间中就是一个个表示着每一分每一秒的正方体，是实在存在的物体。

3、引力弹弓效应：

在影片的结尾，库伯和布兰德教授准备前往第三课星球时发现燃料不够，而黑洞就在他们面前，此时，库伯提出了可以用引力弹弓效应去解决燃油不足的问题。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速，将它甩向下一个目标，也就是把行星当作引力助推器。

4、钟慢效应

时间膨胀是一种物理现象：两个完全相同的时钟之中，拿着甲钟的人会发现乙钟比自己的走得慢。这现象常被说为是对方的钟慢了下来，但这种描述只会在观测者的参考系上才是正确的。任何本地的时间都以同一个速度前进。时间膨胀效应适用于任何解释时间速度变化的过程。在影片中库伯一行人在米勒星球的一小时相当于在地球的7年。

5、巨浪现象

在米勒星球上，库伯一行人刚降落，库伯就发现了远处的异常现象，起初，大家都以为那是一个山系，随着时间推移，库伯才发现，那不是山，那是巨浪。在地球上，海水会收到月球的引力作用产生涨潮退潮现象，而米勒的星球是黑洞作为引力来源，而黑洞的引力比月球的引力大了无数倍，因此，形成了巨浪。

诺兰的新作「星际穿越」基于美国理论物理学家基普·索恩的理论成果，而他的理论成果基本都在他的著作「黑洞与时间弯曲」一书中，本文的科学知识基本都是我在这本著作中看到总结的。该片剧情将涉很多的科学概念，包括虫洞、黑洞理论、相对论，万有引力等等。首先说说黑洞。基帕·索恩在「黑洞与时间弯曲」这本著作的开篇讲了一个一支太空探险队在太空中探索黑洞的经历，故事挺无趣的，基本上就是形象地说了现代科学家对黑洞的研究成果：一、什么是黑洞黑洞是空间中有着强大引力的超高密度的天体，假如太阳质量不变，大小却变成乒乓球那样，这就是太阳坍缩成了黑洞。黑洞的特点就是有进无出，即：①任何东西都可以掉进黑洞，黑洞外围有一层“事件视界”，任何东西只要过了这个“视界”，都要掉进黑洞。②任何东西都不可能从黑洞里逃出来，包括光。另外，因为没有光从黑洞逃出，故无法直接观测黑洞，但是从物体被黑洞吸入之前放出的紫外线、X射线等边缘信息可以获取黑洞的存在。二、黑洞潮汐力一只很大的飞船飞向一个天体，飞船头部距离天体比较近，受到的引力比较大，而尾部距离天体比较远，受到的引力比较小，头部和尾部的引力大小的差距，就会在飞船中间产生撕扯的拉力，这个拉力就是潮汐力。如果天体是黑洞，质量非常大，飞船距离黑洞距离越小时，造成的引力差就会越大，这就是黑洞潮汐力。这个力甚至可以把飞船撕成碎片。飞船里的宇航员也同样会受到潮汐力的作用，对于一般我们接触的物体，即使我们到达它的表面所产生的潮汐力也没有多大，但是，如果是黑洞这种超大质量超大密度的天体，则有可能产生很大的潮汐力将物体撕碎。这个感觉很有可出现在电影剧情中。

有些东西乍看起来平平无奇，但其中蕴含巨量的信息。

《星际穿越》整部影片的画面可谓精简到极致，往往单一的空间站、巨大的星体、漫长的黑夜，无边的孤独，就构成了完整的镜头。然而，星际穿越每1分钟的镜头耗价高达万美元，所有的信息都隐藏在极致的简约之后。

试图理解五维，相当于蚂蚁试图理解球体，只是平面圆模样的投影。而且，即便蚂蚁知道了球体并非如投影表现是个平面圆，那也没办法想象球体本身。同理，三维的因果律根本无法解释这部影片的时空关系。如果就是头铁，就是要用因果律，那么必然陷入时空悖论，脑细胞死一大片头秃成灯泡也决计想不明白。

影片评价：

时间膨胀是在黑洞存在的情况下产生的，这关系到量子力学和爱因斯坦的相对论。该片不同于《星球大战》《星际迷航》或《银河护卫队》这样的科幻影片，任何抱着这样的期望而来观看该片的人都会感到失望。

该片更像是电影《超时空接触》《地心引力》的感觉，因为它是认同科学的，而没有用一些超出人类理解范围之外的规则。