學點天文學，看懂《星際穿越》里的黑洞物理

如何評價 2014 年的電影《星際穿越》(Interstellar) ？

胡曉，佛羅里達大學天文學

提示：評論中有劇透！

時空從未如此讓人感動，除了引力可以穿越不同的維度，愛也可以。

（末尾有微少劇透）

首先，影片中的黑洞作為題圖。

說自己是偽諾吹，是因為我的確很喜歡他的電影，但又受不了一些過（度）解（讀）狗對他的無限拔高（尤其是《盜夢空間》），而且很長一段時間裡，我都不知道多年以前看過的《致命魔術》也是他的作品。而且由於《黑暗騎士》導致的對《黑暗騎士崛起》的過於期待，失望之餘讓我也覺得諾蘭不過如此。

但我的懷疑在看完《星際穿越》之後徹底煙消雲散了，諾蘭的確是目前最具大師氣質的導演，《星際穿越》也是目前所有電影里科學和藝術的最完美結合（不要和我提 2001 太空漫遊，技術限制，科學上是完全比不上的）上次能讓我如此震撼又如此感動的，也許還是多年以前的《肖申克的救贖》（有些電影的確很震撼，但缺乏感動）。

先談談我比較熟悉的科學部分：

題圖裡的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那個如同王冠般耀眼的環形結構是大家最關注的。這是周圍物質在黑洞引力作用下落入黑洞的同時釋放引力勢能而產生的明亮結構。具體的釋放機制主要是粘滯加熱（viscous heating），因為這個較差自轉的盤不同半徑的角速度不同（越到內部越大），物質互相摩擦就可以釋放相當可觀的能量。至於為何是個盤，因為初始角動量的存在，這些物質在剛開始就有一個大致相同的角動量方向（想想太陽係為何也差不多在一個平面上，類似的道理），所以落入黑洞時的軌道也基本在一個面上。

於是，大多數時候，我們看到的黑洞是這樣的

This Is What Happens When Massive Black Hole Gobbles Up Sun-Like Star (VIDEO)

當然，我們還知道黑洞本身不發光，引力會彎曲空間，於是我們看到的黑洞還是這樣的：

APOD: 2014 October 26

這是幾天前的 APOD，計算了黑洞對後部星系圖像的彎曲。

但是如果我們走的夠近，黑洞也能彎曲背面的吸積盤的光線，最終會看到什麼樣的圖像呢？

這種事情搞天文的也關心，雖然我們沒法從觀測上直接分辨吸積盤的內部細節，但是這個會影響觀測到的光譜（也就是能量分布），這種事情，搞模擬的也不是沒算過，但是他們的結果，差不多是這樣的：

這裡顏色代表光譜 / 能量的頻率移動，藍色代表頻率變高，紅色代表變低，同時考慮了引力紅移和多普勒紅移。

這個圖像如果太 Q 的話，好一些的會是這樣的：

Visualization of the inner accretion disk around a Schwarzschild black hole

右下角的圖形代表能觀測到的能譜，由於相對論 beaming 的存在，能量會向高能區移動。

也許你注意到了，電影里似乎沒有出現多普勒頻移的效果（也就是一邊紅點一邊藍點），不過我倒是找到一張設定圖：

注意這些不同的色塊，代表了這些區域可觀測的溫度 / 能量，紅色代表最大紅移，接近內側的黃色主要是引力紅移導致的。而電影里我們看不到這些效應主要是這些區域的能量範圍非常廣，而且能量密度極高（也就是很亮），即使紅移之後對肉眼來說還是太亮，所以我們看到的差不多是一個均勻的光帶。（就像理論上太陽外側會比中心部位暗一些，但現實中你也看不出來，而吸積盤的亮度太陽完全不能比）。

不過《星際穿越》超越這些科研成果的地方在於，Kip Thorne 的推導加上高精度的模擬，最終能看到的不止一個吸積盤！上面這張設定圖比較清楚，背面的吸積盤像不僅從黑洞「上面」繞射過來，同時也會從「下面」繞過來。而正對觀察者一側的吸積盤下部的光，則會繞黑洞 3/4 圈之後再次出現在我們的眼睛裡（就是黑洞上部緊貼它的那條亮線）。這只是繞黑洞圈數較少的光線的像，剩下的像會更加接近黑洞視界，所以難以看清。

（貼張 Kip 的老照片，因為這是我第一次看到他的樣子，Kip 只用了三年就在 Wheeler（也是費曼的博士導師）手下拿到 PhD，30 歲拿到 Caltech 正教授，當代廣義相對論和黑洞物理的頂級大師，名著《黑洞與時間彎曲》強烈推薦。Kip 參與了不少本片的劇本創作，還拉著諾蘭的弟弟 Jonathan 去 Caltech 學了不少廣相，諾蘭本人據說去了 SpaceX 感受了造火箭的氛圍）

這個結果，不僅僅在電影界，在科學界也是前所未有的！據報道，「諾蘭的 Group」（評論里有建議這樣提不太好，我只是指代，加上引號好了）會至少發兩篇 paper，一篇黑洞物理，一篇計算機圖形。

除此之外，還有影片前期對蟲洞表面的表現，同樣由於空間彎曲，你將會在蟲洞表面看到來自整個「天空」（空間？）的影象。而飛船穿越蟲洞的那一幕，逐漸接近視界的各種細節，簡直是 most fantastic journey ever！而著陸的第一個星球，相信看過大劉《海水高山》的同學會非常激動的。

好吧，如果諸位有耐心看到這一段，我要開始聊聊電影本身了。

電影的前段稍顯沉悶，但是看完之後發現埋藏的無數包袱就會覺得「啊哈，原來如此！」諾蘭擅長的穿插敘事在本片里和具象化的時間維度（這算劇透？）結合的天衣無縫。主角麥康納多年前參演的《超時空接觸》也是一個星際穿越的題材，但是為了表達詮釋父愛，讓外星人化身父親的形象和穿越後的朱迪·福斯特接觸，顯得非常生硬。而本片里，前期引力紅移產生的時間差，「天上一日地上一年」，讓觀者覺得父女無論空間還是時間，都在拉開幾乎無窮大的距離，離愁別緒讓人感慨萬千。而片尾（劇透開始！），在外星人（其實是未來可以操縱高維空間的人類）製造的時間變成一個空間維度的世界裡，麥康納通過對引力波的影響操縱手錶的指針給女兒傳遞關鍵信息，讓人鬆口氣的同時又被深深的感動：正如安妮海瑟薇在近乎絕望時所說的，除了引力，愛也是可以打破不同維度隔閡的力量啊！

特別還要提一下本片的音效和配樂。 本片前半部分涉及到太空的場面大都是完全無聲的，甚至連配樂都沒有，諾蘭通過頻繁的艙外 / 艙內鏡頭切換造成的有聲 / 無聲的對比營造出了太空旅行強烈的孤獨感。尤其是 Endurance 到達土星附近的那一幕，非常作為一個小點無聲的前行，背後的土星作為巨大的背景讓我頓時聯想起流浪地球里：「這時木星已佔滿了整個天空，地球彷彿是浮在木星沸騰的暗紅色雲海上的一隻氣球！而木星的大紅斑就處在天空正中，如一隻紅色的巨眼盯著我們的世界，大地籠罩在它那陰森的紅光中……」這一刻，人類是渺小的，然而正是以如此微不足道的力量向大自然給予的命運宣戰，生命，又是如此的偉大。

本片配樂由 Hans Zimmer 操刀，寂寞大師在好萊塢的名氣由來已久，中國觀眾最早熟知他的作品應當是賣拷貝的巔峰之作《勇闖奪命島》，當然他之前的名作還有《雨人》，《紅潮風暴》和《獅子王》，後來則有他和Klaus Badelt 合作的《加勒比海盜》系列也是廣為人知（其中 He"s a Pirate 被國內各大電視台長期未授權播放，從軍事節目到男性健康廣告，可謂萬能 BGM）。不過之前 Zimmer 的配樂雖然極其帶感，但我聽來總有喧賓奪主之感：這段鏡頭明明是為了配樂拍的嘛，或者一到某種場景，耳邊彷彿想起「該起音樂了」，於是 Zimmer 的曲子如期而至。

Zimmer 一直善用恢弘的交響樂營造高張力的氛圍，但這次，他的配樂卻是流水一般滲入了影片的各個角落，無論的節奏還是響度都非常克制，影片末尾的關鍵時刻，蟲洞兩側頻繁的鏡頭切換在 Zimmer 略偏舒緩的鋼琴曲的帶動下的卻能產生令人窒息的緊張氣氛，如果說以前 Zimmer 偏向馬克西姆或者朗朗的話，這次的 Zimmer 如同克萊德曼（好吧我俗了，那我說像內田光子或者 Krystian Zimerman 吧）

潤物細無聲，讓觀眾彷彿忘記配樂的存在，卻又被配樂更加深入的影響。

PS：一個小小的疑問：按理說蟲洞也具有和類似黑洞的性質，那麼他們穿越視界進入另一邊的時候引力紅移會無窮大，換句話說地球上的人會覺得他們永遠停留在視界上，但是電影里似乎把這個給忽略了，蟲洞只是起到一個連接兩個空間的作用，而且剛開始只是個單向蟲洞（從太陽系進入，另一邊出來，但另一端表現出來的又是完全黑洞的性質）。希望理論大牛給我解惑。

PS2：強烈推薦這個頁面，他們居然計算了不同自轉速率黑洞的圖像變化！

http://www.businessinsider.com/interstellar-black-hole-physics-discovery-2014-11

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