《星际穿越》物理学:黑洞是什么样子的?

作者: Adam Rogers/文 sorceress_60884/译

来源: 果壳

发布日期: 2014-11-13

本文详细描述了电影《星际穿越》中黑洞模型的制作过程,以及天体物理学家基普·索恩在其中的贡献。文章还探讨了黑洞的物理性质和其在电影中的视觉效果,展示了科学与艺术的结合。

“当然啦,黑洞就应该是这个样子的。”当基普·索恩(Kip Thorne)望着在他的帮助下建立起来的黑洞时,心里便是这样想的。这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。它以接近光速旋转着,将宇宙的物质一点点地吸引过去。理论上讲,黑洞本是一颗恒星,然而它最终没有熄灭或爆炸,而是像做塌了的蛋奶酥一样,坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点。

一道光轮环绕着里面的球形大漩涡,看起来似乎既从上面弯过去,也从下面弯过去了。

但这一切都十分自然,因为黑洞附近常常发生奇怪的事。例如,黑洞引力极大,以至于弯曲了宇宙的结构。爱因斯坦对此进行了解释:质量越大的物体,产生的引力就越大。像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力,导致光线弯曲,时空扭曲。更神奇的是,如果你离黑洞比我近,我们对时间和空间的感觉会不一样。

索恩从这个模型中看到了什么?

作为一个天体物理学家,他的数学知识引导着这一迷人视效的诞生——这是有史以来对黑洞面貌的最准确的模型。同时,这个模型还是30个人、数千台计算机一年的工作成果。

除此之外,这个黑洞还和一群星光熠熠的好莱坞明星联系在一起——马修·麦康纳(Matthew McConaughey), 安妮·海瑟薇(Anne Hathaway),杰西卡·查斯坦(Jessica Chastain),比尔·欧文 (Bill Irwin),卡西·阿弗莱克(Casey Affleck),约翰·利特高(John Lithgow)——因为这个黑洞模型是电影《星际穿越》的核心。

索恩可不是你平时见到的普通的天体物理学家。确实,他是很出名的理论家,但是在他2009年从加州理工学院退休之前,他就已经对面向大众解释伤人脑筋的相对论充满兴趣。快退休时,索恩和制片人琳达·奥布斯特(Lynda Obst)——索恩和琳达已经相识了30年,当年是卡尔·萨根(Carl Sagan)给他俩安排了一场盲约会——就在谈论要不要制作一部涉及到黑洞与虫洞神秘性质的电影。

电影制作者们构思到的这个故事设定在一个反乌托邦的近未来:那时粮食将无法生长,人类处于灭绝的边缘。一位退役宇航员(麦康纳饰演)被征募进行最后一次飞行任务,这个孤注一掷的任务是寻找另一个能令人类生存并复兴的星系。

那么,问题来了。其他恒星离地球那么远,哪怕到达最近的几个恒星起码也要花几十年,而且连能在几十年内到达目的地的那个速度我们都不知道要怎么达到。不过早在1983年,当卡尔·萨根为他的小说寻找一种可行方案的时候(那部小说后来被拍成了电影《超时空接触》),索恩建议他使用虫洞,一个假想的宇宙裂口,它利用超越四维时空的更高维度连接两个相距遥远的点。所以对于《星际穿越》来说,虫洞也是不二选择。

弗兰克林知道他的电脑总能完成他的任何要求,这既是一个问题又是一种诱惑。“我们很容易落入陷阱,结果打破现实的规律,”这位赢过奥斯卡最佳特效的视觉特效工作室“双重否定”(Double Negative)的高级主管说,“而这些规律可是相当严格的。”

因此,他叫索恩写出一些公式,使他们的特效软件能反映出符合物理规律的真实世界。他们从虫洞入手。如果光在虫洞附近会一改经典规律——以直线传播——这会变得怎么样呢?要如何用数学来描述这一点呢?

索恩递给弗兰克林的答案是一份研究深入的备忘录。这备忘篇幅很长,到处是引用来源,写满了方程,看起来更像是科学期刊里的论文。弗兰克林的团队基于这些公式写了新的渲染软件,然后将虫洞制作了出来。效果令人惊叹。这个虫洞就像是照出这个宇宙的水晶球,是时空里的一个洞。

有些单帧要花上100个小时来渲染,引力透镜这种爱因斯坦效应导致的小小弯曲让计算变得非常繁重。到了最后,这部电影占据了将近800TB的数据。冯·藤泽尔曼说,“我还担心这次我们可能要突破1 PB数据大关了。”

这就是为什么当索恩第一次看到黑洞的最终效果时会觉得“就该是这样嘛”。双重否定团队开始认为一定是渲染器里出了bug导致这个效果,但是索恩意识到他们已经正确地建立出与他给出的数学公式一致的现象模型。

最后,诺兰拿得了使故事升华的优美图像,而索恩得到了一部能使大量的观众都能学到一些真实准确的科学知识的电影。不过索恩还获得了一些意外的收获:一个科学发现。“这就是我们的观察数据。”他这样形容着电影的效果,“自然就是这样的。句号。”索恩说他能从中发表至少两篇文章。

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