【漲姿勢】孩子不愛數理化，讓他「腦洞大開」的《星際穿越》
在《星際穿越》熱播的這幾天，看過影片的觀眾們直呼：「腦洞大開！」
讓人們腦洞開的最大的，應該還是影片中關於物理的那部分知識。劇中到處充斥著「蟲洞、黑洞、多維空間、時間膨脹、量子力學」這些高大上的物理學和天文學專業術語，讓我們對物理學頓時「心生嚮往」。對那些理科生、學霸們的敬仰，猶如滔滔江水，延綿不絕。
如果你的孩子不喜歡數理化，那就讓他去看「腦洞大開」的《星際穿越》。
1.你以為黑洞真是洞？
《星際穿越》主要講述了一對探險家利用他們針對蟲洞的新發現，超越人類對於太空旅行的極限，從而開始在廣袤的宇宙進行星際航行的故事。
看過《星際穿越》，小編印象頗深的一句話是：「你以為黑洞真是洞。」
事實上，黑洞並不是洞，它不是空的，恰恰相反，黑洞是宇宙空間內存在的一種超高密度天體，由於類似熱力學上它是完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，它產生的引力場極為強勁，以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界(臨界點)內，便再無力逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光(電磁波)也逃逸不出。理論上講，黑洞本是一顆恆星，然而它最終沒有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個小小的、不可逃逸的奇點。
《星際穿越》這部電影畫面中呈現的黑洞，是30個人使用數千台計算機，用一年的時間，製造出的電影史上最準確的黑洞模型。他的理論支持者是基普·索恩，他基本上是最偉大的黑洞大師之一。
推薦書籍：《黑洞戰爭》（一本有關現代物理學、量子奇異性和恆星命運的書）
2.「什麼是蟲洞？」
《星際穿越》最熱的關鍵詞是「蟲洞」。這個概念並不新鮮，《來自星星的你》的「都教授」就是通過蟲洞建立的時空通道來到地球的，科幻片《星際迷航》也多次用到這個理論。
蟲洞又稱愛因斯坦－羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。
由阿爾伯特·愛因斯坦提出該理論。簡單地說，「蟲洞」就是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。暗物質維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，並提供時間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時空隧道，所以也叫「灰道」。
舉例來說，可以將一張紙條視作通常的空間，那麼從位於紙條一端的一點到位於另一端的一點需要很長的距離，但是把紙條兩端連接在一起，那麼兩點間的距離就很短了。蟲洞的科幻意義巨大，但遺憾的是至今沒有任何證據表明蟲洞的存在。
推薦書籍：《黑洞與時間彎曲》（《星際穿越》影片中黑洞原理的理論來源，影片指導基普·S·索恩最重要著作）
3.五維空間
在電影《星際穿越》中，連續探索了兩個看似適合人類居住的星球之後，庫珀把補給留給了隊友，自己再次穿越蟲洞嘗試返回地球，結果他墜入了一個奇幻的空間：女兒書房裡的書架背後。這個時間可以逆轉，庫珀看到了當年在這個房間自己跟女兒告別的情景，但他無法打破這個空間，也無法讓其他人看見、聽見自己。這就是一個五維空間，不同於我們所在的三維空間，五維空間里時間是如同一座山一樣實質存在的，庫珀需要告訴女兒如何解開五維空間的方程式，能通過五維空間傳遞的只有重力。於是他用灰塵的重力和手錶的指針發送摩斯電碼，把方程式的答案傳給了長大後的女兒。
五維空間到底是怎麼樣的呢？我們可以運用類比來推斷。在四維空間，三維物體是一切物質的組成基礎，而時間則是整個四維空間活動的基本，沒有時間，一切都是靜止的，就和三維空間沒有區別。那麼在五維空間，四維物體可能就是一切物質的組成部分。可能組成五維物體最基本的元素就是一整個四維空間，在這個元素中包括我們所有已知的世界。四維空間是五維空間的子集。
推薦書籍：《宇宙的琴弦》
4.奇點
《星際穿越》影片中在飛船駛向黑洞邊界時多次提到了「奇點」，奇點是時空中的一點，在該處時空曲率或其他的物理量都變得無限大，它具有一系列奇異的性質，無限大的物質密度、無限大的壓力、無限彎曲的時空等。
大多科學家認為它是宇宙產生之初，由爆炸而形成宇宙的那一點。它具有所有物質的勢能，而這種勢能正是由大爆炸而轉化為宇宙物質的質量和能量，我們可以想像，奇點是一種沒有固定形狀的、沒有體積的不可思議的存在。
5.時間膨脹
時間膨脹貫穿《星際穿越》整個劇情，電影中主角在進入太空後便遇到了時間膨脹，宇宙中主角們的時間和地球上的時間可以用「天上方一日，地上已千年」來形容，這樣的時間錯亂給電影增加了一絲悲涼和無奈的氣氛。至於時間膨脹本身，則是一種物理現象。
在相對論中，空間和時間的尺度隨著觀察者速度的改變而改變。例如，向著我們以接近光速速度運動的一個時鐘本身所標明的時間，比另一個與我們相對靜止的時鐘走得慢些。舉個設想的例子說吧，假如有一個人一分鐘的心跳是60下，當他高速運動時，如果速度足夠大，他的心跳可能會變成40下，20下，甚至更慢.因為隨速度的增加，他的時間變慢了。他自身的新陳代謝也隨之變慢。這樣,相對於他的時間就發生了膨脹。
有了時間膨脹效應，人們在以極高速運動的飛船上時，儘管外界已經經歷了很長的歲月，自己卻沒什麼老化，因為極大的速度會使飛船（和裡面的所有物體）的時間減慢。也就是說，飛船的時鐘走了一圈，地球上的時鐘已經轉了許多圈了。
推薦書籍：《時間、空間和萬物》
6.與女主人公名字相同的定律：墨菲定律
片中男主角的女兒名為墨菲，而她總在抱怨自己的名字與不吉利的墨菲定律的聯繫。墨菲定律由上世紀中葉一名美國空軍工程師愛德華·墨菲提出，包含四條原則，1.任何事都沒有表面看起來那麼簡單；2.所有的事都會比你預計的時間長；3.會出錯的事總會出錯；4.如果你擔心某種情況發生，那麼它就更有可能發生。（小編總算知道女主人公為什麼這麼反感這個名字了）
《星際穿越》的情節中多次體現了墨菲定律的正確性，但除了把事情搞砸，它也把任務引向好的方面，最後主角也在墨菲定律的作用下挽救了全人類的生途。從這個角度來理解，墨菲定律是一種對概率的詮釋，本身並不指代吉凶禍福。
7.我們熟識的「相對論」
這部片子也用情節來解釋了什麼叫相對論。男主角庫珀到達第一個星球，在上面待了幾個小時，經歷了一起平地而起的巨浪後，回到飛船，非常簡短的過程，可等他回到飛船，當年的同伴已經白了鬍子，說他已等了他們23年！地球上的女兒也已長大23歲。片尾庫珀在太空被救，在太空站醒來時已124歲，但看起來仍像剛出征時的樣子。
相對論，對網友來說認知度要高不少，是愛因斯坦提出來的，但估計大家也就只知道這麼個提法。相對論的基本假設是相對性原理，即物理定律與參照系的選擇無關。狹義相對論和廣義相對論的區別是，前者討論的是勻速直線運動的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，後者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），並在等效原理的假設下，廣泛應用於引力場中。
8.引力彈弓
彈弓效應是物理名詞，指的是小天體等藉助大質量天體重力獲得更大動能，這個概念被推廣開來就是藉助外界條件讓自己獲得加速度的意思。以宇宙飛船為例，就是藉助星球引力使自身加速的原理。利用引力使自己的速度加快，引力越大，速度也就越快。
現在很多的探測衛星都採用彈弓效應來藉助星球引力使自己加速，儘可能地節省燃料，同時，引力助推既可用於加速飛行器，也能用於降低飛行器速度。靠著這種方式，在星際間彈來彈去，最後到達目的地。
看著小編給大家整理的圖文並茂的物理知識，有沒有想再去電影院看一遍的衝動捏？也許正能讓你醍醐灌頂，開啟成為科學家之路。
（中國教育報新媒體實習編輯 梁艷澤根據新東方官方社區論壇，中國新聞網-華晨商報綜合整理）
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