另，本篇第一部分是劇情，不是劇透，是全曝光。。。不喜請繞行。。。
第二部分是科普，是本片一部分相關(guān)科學(xué)術(shù)語的簡單科普。
另，科普的話，推薦索恩大神自己的《黑洞與時間彎曲》，以及理論物理出生的網(wǎng)絡(luò)大牛盧昌海寫的《從奇點到蟲洞》。
一，劇情【這不是劇透，這是曝光。。?！?/h1>
讓我們先來梳理一下這部電影的劇情。
地球上發(fā)生了一種“枯萎病”，這種枯萎病比過去的強大太多，以至于所有植物都難以幸免。（枯萎病，blight，這是現(xiàn)實世界中真實存在的一種植物疾病，由真菌引起，有興趣的朋友可以戳這里。電影中對這種植物疾病做了夸張的增強，使得它可以感染所有植物且無藥可救。）
小麥，番茄，秋葵，全部一一死去，最后只留下玉米。
而，植物的消失會帶來兩個問題，一個就是極大的水土流失，另一個就是地球上的氧氣會減少。
在影片中，植物消失帶來的水土流失造成了巨大的沙塵暴，漫天遍野，人們的日常起居受到了極大的影響，其中最嚴重的就是塵肺，很多人都死于這種疾病。
而氧氣的減少則更加嚴重，不用多久，當(dāng)?shù)厍蛏系闹参锶克廊ズ?，動物也將跟著一起死去?br>
全世界的人都在為植物尤其是農(nóng)作物的消失而傷腦筋，這就帶來了一個必然的問題——人的資源是有限的，不可能見過有限的資源投入到所有方面，而只能集中在一些最關(guān)鍵的領(lǐng)域。
為此，航天相關(guān)的產(chǎn)業(yè)被認為是對當(dāng)下的地球災(zāi)難無益的、只會燒錢的部門，而被廢棄。
全球個體的航天局都關(guān)門大吉，甚至于，所有和航天相關(guān)的歷史都被改寫，為了從思想上控制下一代人，不要將有限的精力用到“無意義”的事上去。
在這場全球范圍的植物大滅絕蔓延的同時，人們也發(fā)現(xiàn)了另一種一場，那就是局部性的引力場異?！兄鹘窃谄^就因為這種突發(fā)的引力場異常而發(fā)生了一場從對流層返航的航天事故。
最大的異常，就是在故事發(fā)生的48年前，有一伙高科技文明在土星上安放了一個蟲洞，雖然當(dāng)時地球上的人們沒有發(fā)現(xiàn)這點。
而在故事發(fā)生的十年前，暗中活動的宇航局已經(jīng)派出了12組探險家，通過蟲洞去探索另一邊的世界，去探索那里是否有適合人類生存的行星——其中最著名的就是偉大的科學(xué)家與探險家曼恩，以及女主布蘭德的情人愛德蒙斯。
這伙人來到蟲洞這邊的星系后，會探索分開去探索這個星系的行星，如果適合人類居住，就發(fā)回確認信號，否則就保持靜默，即等死。
而即便是可以主人的星球，那里的探險隊其實也只帶了兩年的糧食，此后就會進入休眠，等著人來救他們。
就在這個大背景下，男主家發(fā)生了一系列異常事件——女兒的房間里出現(xiàn)了“幽靈”，總是將書架上的書弄掉。
為此，熱愛科學(xué)的女兒開始研究這種現(xiàn)象，并最終讓他父親開始重視這一現(xiàn)象，從而破解了塵埃密碼，得到了一組坐標（我說，大家看這一段的時候沒想到凱奇的那部爛片么？）。
跟著坐標，來到一處軍事禁止區(qū)，并意外地發(fā)現(xiàn)這里原來是暗中重組的宇航局NASA。
而過去的同事布蘭德教授則告訴了庫珀事情到底有多糟——這一段大概是國內(nèi)《三體》小說迷最喜歡的部分了，因為這就和《三體3》中的那個局面一樣，到底是發(fā)出安全信號，還是開發(fā)曲速引擎？
人類為了解決枯萎病的難題，將宇航事業(yè)停擺，而現(xiàn)在卻發(fā)現(xiàn)，枯萎病根本無法解決，只能選擇離開地球，而離開地球所需要的科技儲備恰恰就是被廢棄的宇航事業(yè)。
沒有人來繼續(xù)的宇航事業(yè)成了一紙空談，所有人都只知道理論而從來真正地離開過地球，于是男主庫珀成了那注定要乘風(fēng)破浪離開地球的奧德修斯。
布蘭德教授告訴庫珀，有三顆星球上發(fā)回了信號，而且從數(shù)據(jù)來看都挺適合人類居住，所以打算派最有航天經(jīng)驗的庫珀帶隊去查看，如果行的話，就要么執(zhí)行A計劃：建造大型空間站，把地球上的人都帶過去；要么執(zhí)行B計劃：使用冷凍胚胎在外星球上重建人類文明。
但A計劃有一個問題，那就是大型殖民空間站要從地球上發(fā)射出去是不可能的，而要在太空造就更不可能了，但那些丟給人類蟲洞的人以及地球上的引力異常啟發(fā)了教授，可以使用引力為動力，從而通過改變地球引力來“輕易”地實現(xiàn)將殖民空間站送上天的目標，于是他打算努力完成廣義相對論與量子理論的融合，通過發(fā)現(xiàn)量子引力理論來找到修改并利用引力的方式。
教授與男主相互發(fā)誓——你帶人過去，我搞定引力。
離開的時候，女兒完全不舍鬧別扭，庫珀為了全人類，也為了女兒的未來，而依然踏上征途。
至此，第一部分結(jié)束。
第二部分可以看成一段奧德修斯式的冒險。
火箭送男主女主和兩位醬油以及狂拽酷炫屌炸天的機器人塔斯（話說他在審訊誤闖基地的庫珀時的樣子我更喜歡一點，我果然是非正常人類。。。）搭乘的漫游者號（Ranger，電影里賈翻稱它為徘徊者，這是在開玩笑么？這分明是在紀念NASA的漫游者計劃，怎么就成徘徊者這么Low的名字了？）飛船進入太空，并與堅毅號Endurance（電影中賈翻給取名為永恒號，我再一次無法理解這個思路。。。話說當(dāng)年《國家寶藏》里倒是給翻譯為堅毅號的）對接，開始踏上征途。
這里賈翻再次讓我有點沒明白——他們剛對接的時候，為了產(chǎn)生人造引力環(huán)境而讓堅毅號旋轉(zhuǎn)，這個時候兩位醬油想要吐，于是女主布蘭德去拿“暈海寧”?？珊髞韼扃晁麄円獪蕚湟黄鹦菝?，布蘭德說去拿藥片，說的是pill，但是賈翻有給翻成了“暈海寧”，可人家那是要休眠啊，長達兩年休眠啊，要的是休眠吃的藥片啊，你還將pill翻譯成“暈海寧”這種抗暈船藥是不是扯淡了點？
第一段旅程，是從地球到土星那的蟲洞，途徑火星并借力于它的引力彈射，歷時兩年。
現(xiàn)實世界中的這段旅程是四年多，這里說兩年，問題也不大，畢竟是未來嘛，科技進步（不是被廢棄NASA么？），所以兩年可以理解。至于什么是引力彈射，這個在后文解釋吧。
休眠前，布蘭德問庫珀為何不告訴他女兒地球快要結(jié)束了，庫珀說——
當(dāng)你做了父母，就會明白一件事。那就是你想確保你的孩子們有安全感。你怎么可能走過去對他們說，你們現(xiàn)在不安全，有人需要去拯救你們。
這是這部電影的核心，而且，也是老Boss布蘭德教授的核心思想。
兩年的長眠，醒來后就到了土星光環(huán)邊，然后就看到了蟲洞。關(guān)于蟲洞的科普，下文會說。
一段在《機器貓超長篇之大雄的宇宙開拓史》中就出現(xiàn)過的對什么是蟲洞的解釋后（當(dāng)然，漫畫和電影對此的解釋還是有差異的，下文會說明），布蘭德感覺在蟲洞中和那些告訴庫珀坐標、在地球上制造引力一場并在土星這里送給人類一個蟲洞的高維文明有了一次“第一次接觸”般的握手。
第二段結(jié)束。
這邊的星系，核心是超大型黑洞卡岡圖雅，以及一顆中子星（不過這顆中子星的戲份真少，僅在四人討論怎么前往水星的時候作為將飛船減速的方法出現(xiàn)過一次，然后就沒有然后了），以及幾顆圍繞黑洞運行的行星。
最近的是米勒去的水星，幾乎貼著黑洞的視界（這里沒聽清楚，我感覺不可能直接貼著視界，因為畫面中它都在吸積盤的外緣了），略遠一點的曼恩所在的冰星，以及再遠一點愛德蒙斯去的行星。
所有行星都被卡岡圖雅的吸積盤所照亮，所以這貨是一個不是恒星的恒星（中子星在這里再次成為純路人，哎……不過反正它也不亮）。
我們能看到的最亮麗的東西，就是那酷炫的卡岡圖雅了，它被描繪成了上下兩個圈扣在一起的樣子。對于這個造型的由來，我們下文說明。
而來到這里后，他們發(fā)現(xiàn)他們只能通過蟲洞接受來自地球的信號，卻無法發(fā)送回去（這段槽點太大了），于是從地球看，他們等于是失聯(lián)了。
最近的就是米勒的水星，大家都想去，但有一個問題，那就是它太靠近黑洞了，以至于在極強的時間的引力膨脹效應(yīng)下，那里的一小時等于地球上的七年（對這個地上一天天上一年的問題，下面解釋）。
米勒星的探索結(jié)果，就是米勒他們其實早就被大浪拍死了，但由于時間膨脹效應(yīng)所以其實在他們下去前幾分鐘剛剛死。白醬油也被浪拍死了，男女主由于登陸艇漫游者浸水而被困了幾個小時，回來的時候黑醬油已經(jīng)枯等了23年，庫珀的兒子已經(jīng)畢業(yè)成家，第一個女兒也已經(jīng)似乎塵肺，老丈人也死了，兒子甚至連他的墓碑都準備好了。女兒一直沒原諒父親。
幾個小時的旅程，卻一別23年，這不禁讓人想到了奧德修斯和卡呂普索的故事（不是杰克船長里的那個卡呂普索）（其實一小時等于7年這個就夠卡呂普索的）。
接著發(fā)現(xiàn)時間太久冒險太刺激，燃料不夠了，只能去曼恩或者愛德蒙斯之一，庫珀決定去找曼恩——結(jié)果被曼恩擺了一道，他為了求生而發(fā)回了偽造的數(shù)據(jù)和信號。
曼恩為了搶走飛船而攻擊庫珀，差點將庫珀弄死——這里在云都冰凍住的星球上庫珀面罩破了暴露在冰冷的空氣中居然沒被凍死這個太不合理了）。而黑醬油調(diào)查曼恩的機器人吉普（KIPP，看來是致敬本片科學(xué)顧問理論物理學(xué)名家吉普·索恩KIP）的數(shù)據(jù)時被曼恩炸死。
曼恩強行接駁堅毅號，結(jié)果導(dǎo)致自己的登陸艇（我一直認為他開的就是漫游者號飛船，但漫游者號飛船應(yīng)該只有兩艘，而此后兩艘都在，所以這艘到底是什么呀是什么？）空氣噴涌而內(nèi)爆，堅毅號受損而自轉(zhuǎn)墜落。
庫珀一頓炫技用漫游者號接駁堅毅號后開走（這里為什么不直接通過信號連接上堅毅號從內(nèi)部控制它？不合理啊。。。），結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然避免了墜毀冰星，但卻進入了大黑洞卡岡圖雅的墜落軌道。
第三部分結(jié)束。
第四部分，神棍開始。
為了完成任務(wù)，也為了救布蘭德，庫珀企圖利用卡岡圖雅的引力彈射效應(yīng)讓燃料嚴重不足的堅毅號飛去愛德蒙斯的星球。為此，它們進入吸積盤，貼近黑洞內(nèi)層，然后塔斯和庫珀先后脫離，以完成引力彈射（其實，這也是轉(zhuǎn)動黑洞的標準彭羅斯過程，提取黑洞能量的經(jīng)典動力學(xué)過程，這個下文再說）。
布蘭德一個人前往愛德蒙斯，而塔斯和布蘭德則跌入了黑洞——這里布蘭德最后和庫珀的通訊其實槽點滿滿，不過相對后面的已經(jīng)好很多了。
進入黑洞視界的布蘭德（這里量子力學(xué)所預(yù)言的黑洞火墻效應(yīng)被徹底無視了）在經(jīng)歷了一連串離奇景象，包括宇宙在他身后閉合以及各種奇點導(dǎo)致的怪象后，跌入了那些留給人類蟲洞的五維文明留下的超立方體中，從而幸免遇難。
進入超立方體后的庫珀，經(jīng)過一段暴走（從而結(jié)束了第一階段中的那些STAY等信息的來源與含義），終于知道那些五維人的目的，不是讓他改變過去，而是讓他告訴地球上的人塔斯收集到的關(guān)于黑洞內(nèi)的奇點的信息，從而讓人類最終完成量子引力。
這段太神棍了，啥都不說了。
完成使命，讓女兒知道其實小時后的幽靈就是他之后的庫珀（這里有一個細節(jié)，是首尾呼應(yīng)的——開頭女兒問做噩夢的庫珀“你是不是那個幽靈？”而這里庫珀則終于回答了“我就是你的幽靈”。你要不說導(dǎo)演是諾蘭我還會以為導(dǎo)演是沃卓斯基兄弟啊不姐弟）。
這一段頗有奧德賽中奧德修斯在冥界邊緣遇到先知泰瑞西阿斯的意思。
庫珀也終于明白了，全面最大的秘密，那些神秘的給人類蟲洞的人到底是誰——他們就是未來已經(jīng)掌握了完整的時空科技的地球人類文明的后裔。
未來的人類在庫珀完成任務(wù)后，拆掉了卡岡圖雅內(nèi)的超立方體，將庫珀通過蟲洞送回了土星邊緣——而這里庫珀和來時的布蘭德相遇，握了手。
可是啊可是，這段超立方體和物質(zhì)化時間就算了，愛超越時空的拜月教教主式的思想也就忍了，這里最大的問題是——進入黑洞內(nèi)部在庫珀看來是分分鐘的事情（這個早年我計算過，從內(nèi)秉時間來看掉入史瓦西黑洞和牛頓引力是相同的結(jié)果，掉入克爾-紐曼黑洞比如卡岡圖雅也差不多），但在布蘭德和地球上看來，在無窮遠的未來他也還在視界上漂浮呀。。。所以這貨要離開黑洞就得穿越時間回到過去否則他離開黑洞就是在無窮遠的未來啊（雖然他傳遞信息本就是回到過去），所以未來人你為什么不送得再回去一點呢？送到他女兒還沒老死的時候嘛。
這點索恩在自己的書《黑洞與時間彎曲》的第一章的那個故事中也提到過，所以顯然索恩對此很了解（廢話，人家是大師級專業(yè)的），但諾蘭為了“藝術(shù)需要”就把這事給忽略了。
然后的故事就是迪斯尼式的合家團圓。
女兒利用庫珀傳遞的數(shù)據(jù)解出了完整的量子引力方程，并最終指導(dǎo)人類造出了引力推進器，從而成功離開地球，進入星際殖民時代——而庫珀被救后所在的殖民空間站，就是為了紀念他女兒而命名的。
這里的槽點，就是圓筒形空間站里的科里奧利力現(xiàn)象完全被無視了。。。那樣的環(huán)境下的棒球會是迥然不同的，因為沿著圓筒轉(zhuǎn)動的方向和反方向，將有截然不同的運動現(xiàn)象發(fā)生（如果圓通轉(zhuǎn)速夠快的話，而以電影中所看到的那個大小，這個轉(zhuǎn)速恐怕小不了）。而，就在《三體3》剛出的時候我就提到過，這樣的圓筒空間站里的天氣情況會是一件很有意思的事情。
女兒和庫珀和解，并讓庫珀去找布蘭德。
這里我就又想不通了——空間站里別的人呢？為什么不一起去找布蘭德，而是庫珀一個人前去找布蘭德？這個不合理啊。。。
OK，全片完。
這里，讓我們再整理一下這個簡單的故事——
枯萎病發(fā)生于不知道多少年前，蔓延全球，無藥可救。
48年前出現(xiàn)蟲洞。
庫珀返航遭遇引力異常而發(fā)生事故。
全球?qū)箍菸?，沒有多余的資源給“無用”的部門，于是NASA等全球各地宇航部門關(guān)門，全球教材修改。
NASA暗中復(fù)活。
十多年前NASA發(fā)現(xiàn)蟲洞。
布蘭德教授解開量子引力方程，但發(fā)現(xiàn)缺少關(guān)于奇點的數(shù)據(jù)，方程無法指引人們造出時空引擎。
十年前派出12支探險隊，為了B計劃。
庫珀的女兒房間里出現(xiàn)幽靈，獲得NASA秘密基地坐標。
布蘭德教授說有A計劃，讓庫珀帶著女兒等人一同前往卡岡圖雅星系。
兩年后，庫珀等人到達土星蟲洞，進入卡岡圖雅星系，穿越蟲洞的時候遇到74年后回來的庫珀。
堅毅號發(fā)現(xiàn)信號只能接受無法發(fā)送，愛德蒙斯停止發(fā)送數(shù)據(jù)，距離米勒最近。
登錄米勒，發(fā)現(xiàn)米勒已經(jīng)墜毀，遭遇大浪，延誤了幾個小時，出來后就到了23年后。
23年內(nèi)，兒子結(jié)婚喪女，女兒師從布蘭德繼續(xù)攻克早就被解開卻被故意隱瞞的方程。
登錄曼恩，曼恩攻擊庫珀搶走登陸艇，強行接駁堅毅號失敗導(dǎo)致堅毅號受損失控。
庫珀重新接回堅毅號，卻發(fā)現(xiàn)要墜入卡岡圖雅。
庫珀利用塔斯和自己所駕駛的漫游者號幫助堅毅號通過引力彈射離開卡岡圖雅前往愛德蒙斯——這個幾分鐘的過程用掉五十一年。
遙遠的未來，庫珀進入黑洞后被幽靈的超立方體接走，回到過去和女兒交流，并告知過去的自己NASA的坐標。
庫珀在超立方體內(nèi)回到離開地球的25年（2年到達土星和水星上的23年）后的現(xiàn)在的時間，通過莫爾斯密碼告訴女兒黑洞內(nèi)的數(shù)據(jù)。
庫珀的女兒解開完整的量子引力方程。
庫珀的女兒指導(dǎo)人類建成基于時空引擎的太空殖民空間站。
人類成功移民太空。
差不多的時候，布蘭德登錄愛德蒙斯。
庫珀被幽靈送回離開地球的76年后（2年去土星，23年在水星，51年在黑洞邊緣）的太陽系，被送回過去期間遇到74年前的堅毅號。
庫珀被發(fā)現(xiàn)。
庫珀和女兒團圓。
庫珀去找布蘭德。
遙遠的未來，人類掌握了完整的時空科技，成為五維生命。
某天突發(fā)奇想，回到過去，留了個蟲洞在土星，連接到卡岡圖雅星系，并在卡岡圖雅黑洞內(nèi)放了個超立方體。
某天，未來的五維人類發(fā)現(xiàn)庫珀進入超立方體，并完成了任務(wù)，便將超立方體毀去，將庫珀送回特定年代的太陽系。
故事完。
二，科普一下
電影里有很多概念是普通人不怎么接觸到，或者說不熟悉的，所以這里簡單科普一下。
可以先看這兩篇，算是一些相關(guān)內(nèi)容的科普介紹了：《那些宇宙里的奇葩們》和《銀河系穿越指南的前言》。
黑洞有幾個特點，這里要再科普一下。
首先，就是引力的時間膨脹效應(yīng)，也就是所謂的“引力紅移”。
所謂引力的時間膨脹效應(yīng)，就是說在引力越大的地方，時間的流速就越慢。
這個可以看我在看電影前寫的科幻小說《時間足夠》。
在科普的立場，我們就不說公式了，而用一個比較容易理解的輔助概念來說明——等效原理。
等效原理是連接狹義相對論與廣義相對論的橋梁，它的意思就是說：物體在不受引力時做變速運動時收到的加速度效應(yīng)，和物體在引力場中靜止時受到的引力效應(yīng)，是等效的。
所以，一個引力場，可以等效地看作是一個以一定速度做圓周運動的東西所受到的加速度效應(yīng)（只不過一個朝里，一個朝外）。
然后，我們知道，狹義相對論有一個時間膨脹效應(yīng)，說的是物體的運動速度越快，它的時間就過得越慢——以0.99999倍光速運動的話，你的1秒在我看來就是3分44秒。
現(xiàn)在，等效原理告訴我們引力場等效于圓周運動，而速度有時間膨脹效應(yīng)，所以引力也有時間膨脹效應(yīng)那個。
強調(diào)說明：這是為了科普而便于大家理解，不是說物理上就是這個樣子了。
黑洞的時間膨脹效應(yīng)非常強，這就是物理上所謂的“引力紅移”。
我們可以看到電影里卡岡圖雅的吸積盤的顏色基本是紅黃色，這個就可以看作是引力紅移的杰作。
不過，這里有一個槽點，那就是黑洞的引力紅移是隨著質(zhì)量的增加而增加的，按照電影的設(shè)定，卡岡圖雅的質(zhì)量是非常非常巨大的，它的視界半徑就幾乎到了太陽系中地球的位置，而它的吸積盤則從火星軌道內(nèi)一直延伸到了小行星帶外。
這么大的黑洞的引力紅移效應(yīng)當(dāng)然是非常巨大的，但這也就表示——距離很遠的地方引力紅移然強大，所以，后面曼恩的星球上既然這么容易堅毅號就進入墜落卡岡圖雅的軌道而不能變向，這就是說它距離卡岡圖雅也不是那么遠，從而就算沒有一個小時七年，一個小時一年恐怕總還是有的吧。。。但這個直接就被導(dǎo)演無視掉了。這還不說即便堅毅號離開很遠，但是漫游者號從很遠進出水星，就算水星上只待一個小時，這中間一段太空旅途恐怕不是一個小時能完成的——你從地球到土星都兩年啊親，人家一個吸積盤就快到木星了啊喂。
然后，是黑洞的引力。
黑洞的引力極強，也就是所謂的“連光都無法逃脫”。
不過，當(dāng)你圍繞黑洞做軌道運行的時候，引力可以認為被軌道運動的離心力給抵消了，所以再強的引力，當(dāng)你在穩(wěn)定軌道上做軌道運動的時候都不會感受到。
但，這是對點粒子來說的。
對具有實際大小的物體來說，引力的另一個伴隨效應(yīng)還是會感覺到的，那就是潮汐力。
潮汐力可以看作是引力的梯度，說人話就是引力在一個具體大小的物體的不同位置上的大小與方向差異，所導(dǎo)致的這個物體在朝著引力源的方向上被拉伸，而在垂直于引力源的方向上被壓縮，這么一種效應(yīng)。
潮汐力沿海的人肯定會感受到，那就是每天的漲潮落潮，這都是由于太陽和月亮的潮汐力所引起的——而兩者重合與相互抵消的時候分別就是大潮和小潮。
俄羅斯由此就傳聞為了自己的軍港不被潮汐影響而打算炸掉月亮，真是囧。。。
主星對衛(wèi)星的潮汐效應(yīng)，在卡岡圖雅上會是很嚴重的，但是，這并不是卡剛圖樣的行星，米勒所在的水星上的巨浪的來源。
按照電影中米勒所在的位置，它應(yīng)該已經(jīng)被卡岡圖雅潮汐鎖定了。
所謂潮汐鎖定，就是在巨大的潮汐力作用下，衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)同步，以至于始終只有一個固定的面是朝向主星的。
月球就被地球潮汐鎖定了，太陽系里的水星也被太陽潮汐鎖定了。很多類木行星的衛(wèi)星也被自己的主星潮汐鎖定了。
一旦被潮汐鎖定，那么這顆星球的天球上主星的位置就是固定不變的，從而潮汐也就是固定不變的，整顆水星上的水的位置就不會發(fā)生大規(guī)模的變動，至少不會有這種巨浪。
一個合理的理由——除了說其實沒有潮汐鎖定或者這種狼相對于卡岡圖雅的潮汐來說是小浪這樣的理由——就是衛(wèi)星的天平動，其中這里最主要的應(yīng)該就是經(jīng)天平動。
天平動有兩種，經(jīng)天平動與緯天平動。
如果衛(wèi)星的運動軌道是完美的圓圈，而且自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軸平行，那么是不會發(fā)生天平動的。而如果衛(wèi)星的軌道不是圓形而是有一定的偏心率，即做的是橢圓運動，那么潮汐鎖定就不可能每時每刻都將衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)固定，此時就會有經(jīng)天平動——從主星上看，就是衛(wèi)星在做左右扭動。月球的經(jīng)天平動使得我們實際上能看到59%的月球表面，而如果沒有經(jīng)天平動，我們應(yīng)該只能看到50%。
如果衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軸不平行，那么就會有緯天平動，從主星上看就是仿佛衛(wèi)星在上下點頭。月球當(dāng)然也有緯天平動了，不過比較小。
在超大質(zhì)量黑洞周圍，黑洞的自轉(zhuǎn)還會帶來不同的潮汐力擾動，這個就不是經(jīng)典牛頓天體物理的天平動能描述的了，會有更多。
就卡岡圖雅和水星的相對位置以及水星相對吸積盤的位置來看，水星的運動基本不可能是圓周運動，而且自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)肯定也不會是平行的，于是在這顆充滿水的星球上就會同時存在經(jīng)天平動和緯天平動。
然后，你想想，一個裝滿水的杯子你不斷上下左右搖晃，不就會產(chǎn)生浪濤了么？如果經(jīng)天平動與緯天平動的周期與這個星球上海水的繞行周期（這個和星球自身的引力以及地質(zhì)因素有關(guān)）相近，那么這顆星球上的海洋就會處于一種共振的狀態(tài)，因此出現(xiàn)滔天巨浪就是理所應(yīng)當(dāng)?shù)牧恕?/p>
黑洞的引力效應(yīng)還有一個特別顯著的視覺現(xiàn)象，那就是“引力透鏡”。
這個就是說，黑洞外部的引力是如此地強，以至于光線都被彎曲了。
為了這個效果，諾蘭的雙重否定團隊在索恩的理論指導(dǎo)下用了上千臺計算機耗時一年給模擬了出來。（話說幾年前聽聞有人為了模擬黑洞脈動而使用了13臺PS3構(gòu)成的計算網(wǎng)格，當(dāng)時我的第一反應(yīng)是趕快鼓勵老板買PS3去，就說我研究需要。后來我就不研究膜宇宙研究Finsler幾何了。。。沒有了這個需求。。。）
讓我們來看這張圖。
橫跨卡岡圖雅的最大的橫條，就是卡岡圖雅吸積盤的前半面。而和這條橫條相連的出現(xiàn)在卡岡圖雅上半部分的景象，其實是吸積盤的后半部分在引力透鏡作用下，被從后面“拉”到了上方。
然后，圖片的下方的半圓其實還是卡岡圖雅吸積盤的后半側(cè)。
接著，有趣的地方來了。
我在09年寫科幻小說的時候，自己用計算機簡單的模擬了一下黑洞的引力透鏡效應(yīng)——效果當(dāng)然不能和人家這個相比，但有一個地方是當(dāng)時就順道發(fā)現(xiàn)的，那就是引力透鏡可以產(chǎn)生不止一個像，而是多個。
在這里，火紅的吸積盤內(nèi)側(cè)還有一個光亮的圓環(huán)（上半部分特別粗特別亮，下半部分相對比較暗），大家認為這是什么？
答對了，還是吸積盤。
這兩個明亮的半圓環(huán)，其實是卡岡圖雅吸積盤前半側(cè)在引力透鏡下的像，也就是說，這里光線已經(jīng)繞了黑洞一圈，回來了。
在這個光圈的更內(nèi)側(cè)，基本已經(jīng)看不見的地方，我們還能再次看到吸積盤的后半側(cè)。
不過，二級像一般已經(jīng)很微弱了，因為以來是更靠近世界，所以引力紅移更強，因此看上去就更暗（大部分都跑到紅外區(qū)去了，肉眼看不到）。另一方面，二級像的成像區(qū)域很窄（引力對這部分光的散射截面非常?。杂绊懯歉叨葔嚎s扭曲的，擠成一團。
在我的小說里的阿卡拉雙星凌，你就會發(fā)現(xiàn)在阿卡拉黑洞的作用下，你會看到左右各兩顆總共四顆恒星，同時扭曲成彎月狀，相對著張開嘴，然后較近的恒星與它的像一同將阿卡拉黑洞吞下，然后較遠的恒星從較近的恒星里長大冒出來，并和它的像一起張開嘴吞下阿卡拉黑洞以及較近的那顆恒星。
當(dāng)然，當(dāng)年的電腦模擬比較粗糙（計算物理老師可以瞑目了），看上去很Q很像素（真的很像素……而且都是藍色綠色和紅色的點……），上面主要是我自己腦補的。。。
而，說到這張圖，槽點還是有的。
索恩大神的計算當(dāng)然不會有錯，但最后的呈現(xiàn)卻為了藝術(shù)的需求做了改變。
為什么這么說呢？因為，物體運動，特別是高速運動的時候，會有一種“多普勒效應(yīng)”。
簡單說，就是朝著你運動的物體的顏色會偏藍，離開你方向運動的物體的顏色則會偏紅。
這個我們在地鐵站上經(jīng)常聽到——進站而不停的火車的聲音尖銳，離開的時候則變低沉。（最早在火車站上閑著沒事聽汽笛的就是多普勒，所以叫多普勒效應(yīng)。）
然后，轉(zhuǎn)動黑洞有個狂拽酷炫的引力效應(yīng)叫做“引力拖曳”，東西會被黑洞的引力拖著走而不能停留（當(dāng)然，這不是黑洞專有，中子星也有這個能力）。
所以，卡岡圖雅的吸積盤應(yīng)該是會受到引力紅移和多普勒效應(yīng)雙重影響的，所以實際上不可能這么漂亮。
如果鏡頭從上往下（就是從北極搖桿到赤道），那么看到的大致是這樣：
實際看上去大致就是這樣（紅移代表顏色偏紅，從而最后進入紅外，肉眼看不到，于是就是黑色）：
這貨顯然一點都不美觀。
別說壯麗了，簡直猥瑣。
所以，這樣的東西顯然不適合放到電影里，于是我們最后看到的就是阿克拉之眼啊不對是卡岡圖雅之眼。
有人說電影里的吸積盤非常熱非常亮，能量極高，頻率極高，所以最后一紅移，嘿，我又能看見啦！
這樣的說法有兩個問題：首先，能量高不表示顏色就不紅，而頻率高的確能抵消紅移，但藍移部分你怎么辦？紅移部分和藍移部分會看上去不對稱啊喂！
其次，如果真這么強，那就表示近吸積盤軌道上的Gamma射線和硬X射線會非常富饒，這樣的話米勒星不用去了，肯定沒生命，有也被烤死了。
轉(zhuǎn)動黑洞的吸積盤是它的一大特色。
它其實就是被黑洞吸引來的星際物質(zhì)或者別的恒星的恒星物質(zhì)（按照設(shè)定，這里應(yīng)該有一枚中子星，所以卡岡圖雅有了食物源）。這些物質(zhì)在下落到黑洞的過程中，無一例外地被黑洞的引力拖曳效應(yīng)拉著走，然后就被迫堆積在了軌道上，慢慢進入黑洞。
引力拖曳的一個效果，就是將物體拉向赤道面。于是，結(jié)果就是所有被吸引來的物質(zhì)都在黑洞的赤道平面上的圓軌道上相互擠壓，從而發(fā)熱。所以吸積盤一般都很亮。
和吸積盤相關(guān)的另一個黑洞現(xiàn)象，電影里沒表象出來，就是黑洞噴流。
噴流的確切起因還不是很清楚，至少沒吸積盤那么清楚。普遍的說法是吸積盤中物質(zhì)相互摩擦擠壓而形成強大的磁場，將部分磁性物質(zhì)帶離吸積盤，在轉(zhuǎn)軸方向上磁場呈噴射狀，于是那些物質(zhì)就仿佛進入軌道炮的子彈一樣，被噴射了出去。
最新研究成果幾年沒Fo了，所以我也不知道。。。
噴流一般可以射很遠，甚至好幾十光年都有可能。
前面提到的我自己的小說里外星人無聊舉辦“無五級科技星際沖浪賽”，選手們就利用噴流在星系間漂流，很虐心。。。當(dāng)然，后來這部小說爛尾了。。。只留下個阿卡拉星系至今還被我使用著…………
另，中子星的磁場也是極強的，它在宇宙中最著名的表現(xiàn)形式就是傳說中的“脈沖星”，這里所說的脈沖就是說它的強磁場。
旋轉(zhuǎn)黑洞還有一個有意思的地方，就是它的彭羅斯過程。
數(shù)學(xué)家彭羅斯研究發(fā)現(xiàn)，人們可以通過一條特定的拋物線軌道，將物體送入旋轉(zhuǎn)黑洞的能層（靜止界面與視界之間的區(qū)域，富含黑洞的旋轉(zhuǎn)能量，體現(xiàn)在引力拖曳中），然后通過拋射物質(zhì)讓設(shè)備離開能層回到拋射站，并發(fā)現(xiàn)出來的物體的總動能高于進入時的動能（當(dāng)然是靜止釋放了）。
這個過程就叫做彭羅斯過程，它的意義就在于：通過這條軌道和拋棄的物體，我們提取到了黑洞的轉(zhuǎn)動能，從而將黑洞變成了一套發(fā)電機，同時還是垃圾場。。。
而這個過程，其實就是電影中最后布蘭德的堅毅號離開卡岡圖雅附近時所發(fā)生的——必須通過拋射一部分質(zhì)量，才能完成彭羅斯過程。而這個質(zhì)量，就是塔斯和庫珀和他們所乘坐的兩艘漫游者號飛船。
另，這一幕就沒人想到《鋼之煉金術(shù)師》里的“等價交換原則”么？不科學(xué)啊……
最后要說的，是關(guān)于黑洞視界面附近的“火墻”效應(yīng)。
這是在考慮上量子理論后的產(chǎn)物，經(jīng)典物理中沒有。
量子理論中有一個很奇妙的效應(yīng)，就是在一個加速運動的物體看來，量子效應(yīng)并不總是在真空中的微弱起伏，而是有可能變成可觀測的效應(yīng)的。這就是加速運動的Unruh效應(yīng)。
我們前面提到了等效原理，引力場就可以和加速運動關(guān)聯(lián)起來，所以，引力場中就會有類似的Unruh效應(yīng)，其具體表現(xiàn)就是在黑洞視界面上不會再是平靜的一個表面，而是一片沸騰的粒子海。
這實際上也就是霍金輻射的一個起源。
對于庫珀和塔斯來說，他們所面對的問題其實是這樣的——還沒等進入黑洞，就可能遭遇黑洞表面的火海，從而被烤焦。。。對這個問題，由于量子引力現(xiàn)在所知甚少，所以，大概只能去問老布蘭德了。。。。
而所謂的“黑洞防火墻悖論”，其實就是這么一個相對論和量子力學(xué)的矛盾：
相對論認為，信息不可能從黑洞內(nèi)離開，所以一對量子糾纏態(tài)的粒子，如果一個進入了黑洞，另一個沒有，那么量子糾纏就必然會被打破，因為里面的粒子的狀態(tài)按照相對論就不可能被外面的粒子知道——但這個想法卻和量子理論信奉的幺正原則矛盾，那里量子過程的信息不會被破壞。
而這個過程正好就是霍金輻射的一個過程，所以就被稱為火墻悖論，或者說是防火墻悖論，聽著仿佛是有黑客要進入黑洞里頭資料一樣。
說完了黑洞說蟲洞。
黑洞，我們可以定義為“存在一個俘獲面的時空區(qū)域”，而這里所謂的俘獲面就是在空間的至少一個方向上物體的運動變得單向。
這也是進入黑洞后的人沒法活的一個原因——就算引力和潮汐力，或者量子火墻沒把人怎么著，但人類內(nèi)所有原子和分子的運動只能朝著一個方向，這就是說構(gòu)成生物的化學(xué)力被顛覆了，從而生物體將不復(fù)存在。人的神經(jīng)信號也只能走一個方向，你的大腦將根本無法思考。從化學(xué)層到生理層，人都會被毀滅死亡，雖然這樣的死亡大概還會保持人形。。。
與黑洞不同，蟲洞大約可以被定義為“時空拓撲發(fā)生改變的區(qū)域”。這種拓撲改變特指連通性（如果是發(fā)生虧格變化，估計會很有意思。。。）。
最早的黑洞，正如我在此前的科普中所寫的，源自于對史瓦西黑洞的“再重組”。
要解釋清楚這個問題，你首先要有一個概念，那就是雖然我們描述時空都用坐標，但坐標并不真實地描述時空，而只是一個側(cè)面。
比如說，史瓦西坐標中，我們普遍認為r代表的是半徑（中心為黑洞），但這個r其實只具有數(shù)學(xué)意義，物理上是否是半徑那可不一定。
既然坐標不是固定的，而是時空的一個描述一個側(cè)面，那可以玩的就很多了。
比如說，嚴謹?shù)谋热缈唆斊澘ㄑ油?，放浪一點的比如將小于史瓦西半徑的部分認為其實不存在只是數(shù)學(xué)上的誤導(dǎo)，然后憑借上另一個同樣類型的時空——嘭！這就是愛因斯坦－羅森橋，你第一次遇到它大概就是在《雷神》里。
可，原則上說，只要是拓撲連通性發(fā)生改變，且滿足廣義相對論的，這么一種時空結(jié)構(gòu)，都可以叫做蟲洞，比如下面這個：
ds ^ 2 = -dt ^ 2 + r ^ 2 / (R ^ 2 + r ^ 2) dr ^ 2 + (R ^ 2 + r ^ 2) dOmega ^ 2
很容易驗證，這樣的度規(guī)是平直的——也就是說，非但是真空的（Ricci張量為0），而且也是一點曲率都沒有的常直空間（Riemann張量也為0）。
可是，這樣的空間中我可以讓r取值從負無窮取到正無窮，代表了兩個被挖掉一個半徑為R的區(qū)域的平直空間，在這個半徑R的圓上被連接在了一起。
這貨很平直，而且，也符合廣義相對論的愛因斯坦方程。
更有趣的是，我們?nèi)绻嫺呔S嵌入圖，它可以被化成雙曲面空間相連——雖然，這僅僅是畫，因為如果是真的潛入的話，度規(guī)就不是這樣了。。。
這種人為挖掉一個區(qū)域的“蟲洞”是非常人為的，自然界普遍認為不可能出現(xiàn)這樣的東西。
人們還是普遍相信只有黑洞能“自然地”創(chuàng)造出一個蟲洞，這樣的想法尤其在轉(zhuǎn)動黑洞上保有。
蟲洞所面臨的最嚴重的問題，就是除了像上面這種純粹為了構(gòu)造而構(gòu)造的蟲洞外，別的更加“自然”的蟲洞都需要負能量物質(zhì)來維持其張開——這部分索恩和霍金都寫過很多文章來論述。
蟲洞除了可以連接分處兩地的空間，也可以連接時間，這就是類時閉曲線，也就是時間機器。
不過，丘成桐的證明讓我們相信，不管是什么類型的蟲洞，都是不可能出現(xiàn)的。
為此我只能為電影默哀。
當(dāng)然，電影中的蟲洞比較特殊，因為它不是我們這個世界里的蟲洞，這就牽扯到了一個更大的話題，也是我的專業(yè)——膜宇宙。
膜宇宙的起源是超弦理論。
超弦理論認為時空是10維的，這個已經(jīng)家喻戶曉了。
后來，Polchinski發(fā)現(xiàn)了弦論的一類解，可以穩(wěn)定存在，且不是0維（點）的，開弦可以在上面以一定的條件固定著，這就是后來大名鼎鼎的D膜。
這貨直接促成了Randull提出了一個跨時代的理論模型——膜宇宙。
膜宇宙中，整個宇宙的廣延維度是5維的（電影里他們穿過蟲洞的時候白醬油說過他們正穿過Bulk，這就是膜宇宙中對整個5維空間的稱呼），而我們的宇宙只是這個空間中的一張無限大的4維膜。
順帶提及，霍金在研究愛因斯坦的廣義相對論的時候曾經(jīng)提出過這么一個想法，那就是如果時空是有限的，帶邊界的，那么愛因斯坦的相對論應(yīng)該怎么辦。這個邊界上的物理后來由Hawkin-Gibson項描述，而這后來就成了膜宇宙理論的基礎(chǔ)。
Randull的膜宇宙理論提出了兩個模型，后來被很多的人發(fā)展，有了上百個不同的模型。
電影中所用的是DGP膜宇宙——在原始Randull膜宇宙的基礎(chǔ)上，引入了膜上的愛因斯坦項，而不單單是Bulk中的愛因斯坦項。
這個東西就寫在老布蘭德和庫珀女兒的那塊黑板上。
附帶一說，沒記錯的話，上次的LHC實驗結(jié)果基本已經(jīng)把膜宇宙和大尺度額外維都給否定了。
在膜宇宙中，選擇特定的Bulk和Bulk中的物理，可以讓蟲洞不需要負能量物質(zhì)就能保持暢通。
而，DGP膜宇宙的一個特點，就是兩張膜上的物理雖然是一樣的，但具體參數(shù)可以不同。
舉例來說，我們這里100光年的距離，在隔壁的那張膜上可能只要100厘米。
所以，《星際穿越》中的蟲洞實際上是這樣的——我們通過一個蟲洞到達隔壁的膜，然后在隔壁的膜上移動很小的一段距離，再通過另外一個蟲洞回到我們自己的宇宙，噔噔噔，卡岡圖雅出現(xiàn)在了眼前。
這個是索恩給電影的設(shè)定，但為什么這么設(shè)定我就不清楚了——直接在隔壁的膜上定居不就結(jié)了么。。。
嗯，影片中能想到的需要科普的東西，大概就是這些了。
如果你覺得這篇東西寫得還行，愿意打賞我一口咖啡，請戳打賞頁～～
本文遵守創(chuàng)作共享CC BY-NC-SA 3.0協(xié)議**
