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前沿科学审视下的星际穿越

时间:2015年07月31日 信息来源:星际穿越 点击: 字体:


近日,美国好莱坞科幻电影《星际穿越》正火热上映。这部影片讲述了地球环境恶化不再适合人类生存,需要到外太空去寻找适合人类居住的星球的故事。该电影是近年来少有的硬科幻作品,影片中不仅呈现了大量绚丽的画面,更有对航天前沿科学的合理运用。

什么都逃不掉的黑洞

《星际穿越》中的黑洞无疑是影片中的重要看点之一,导演为了力求完美,在物理学家索恩的指导下制作了截至目前科幻电影中最逼真的模拟黑洞,最终为观众呈现了壮观的黑洞吸积盘景象。不过,影片中的航天员通过黑洞进入五维空间的情节,对于人类来说还只是遥不可及的设想。

一般来讲,黑洞具有引力潮汐效应,在靠近黑洞时会对人体造成致命伤害。在索恩的建议下,影片中把黑洞的质量设定为太阳的一亿倍,但在现实生活中,人穿越黑洞仍然是不可能的事情。

其主要原因是,比太阳质量大一亿倍的黑洞,已经达到了星系核的级别。根据现有的物理学描述,黑洞外围存在巨大的吸积盘,这些吸积盘在旋转下落时,会进入黑洞视界,而在这个过程中吸积盘会放出以x射线为主的巨大能量。

理论推算认为,被吸入积盘的物质进入黑洞前,辐射转换效率可以达到氢核聚变反应的15倍。因此,在x射线的强辐射下航天员只会灰飞烟灭,根本无法安全穿越黑洞。

另外,《星际穿越》中的核心故事情节除了穿越黑洞进入五维空间外,还有时间流逝速度差别的情节。例如,航天员在一颗大浪星上待了1小时,这时地球上已过了7年时间,这段故事实际上是引力时间膨胀效应的体现。爱因斯坦最早提出的引力时间膨胀效应中就指出,引力场越强的地方,时间会变得越慢。

因此,影片中库伯等航天员登陆的大浪星由于距离黑洞较近,并且在强引力场的作用下,时间流速极慢是符合逻辑的。总之,要达到1小时相当于地球上7年的时间,行星需要距离黑洞很近才行。

可穿梭空间的虫洞存在吗?

虫洞不仅是物理学的前沿科学,对普通天文爱好者来说也是讨论的热点话题,其原因很简单,人类通过虫洞可以实现空间穿梭。《星际穿越》中,航天员在土星轨道附近发现了一个虫洞,通过它进入了遥远的未知空间。那么,虫洞到底是什么?

很多科幻小说中容易把虫洞和黑洞混为一谈,溯其源头,我们会发现事实并非如此。1985年,著名行星科学家、科普作家卡尔·萨根在创作科幻小说《接触》时,需要设定一种跨越遥远距离的联系方式,他最初想用黑洞作为概念,但咨询了他的朋友索恩后获知,黑洞无法作为星际旅行的工具,建议卡尔·萨根使用虫洞的概念。从此,虫洞概念就成为了科幻小说和科幻电影的新宠。

虫洞的概念并不难理解,如果我们要翻越一座高山,一个办法是沿着山路翻山越岭,另一个办法是在山脚下打通一条隧道缩短行程,而虫洞的作用就相当于隧道。根据广义相对论的解释,物质分布的不同会带来空间的弯曲,假设一处空间弯曲成类似山体的倒u型,飞船从倒u型一侧的底部到另一侧底部的正常飞行,需要经过倒u型的顶部,而如果一个虫洞存在于倒u型空间的中部,就会形成一条更短的空间路径。

科幻小说中就是通过虫洞空间中的短程连接,避开光速限制的问题,实现了遥远的星际旅行。

虽然虫洞只是一个理论概念,但不同于同样理论的黑洞,目前人类还没观测到任何关于虫洞的信息。

此外,索恩教授等人进行的研究还认为,虫洞维持需要大量负能量物质,而目前我们观测到的负能量物质都是微观的量子级别,宏观存在的虫洞需要很大的负能量物质才行,更别说虫洞区域空间高度弯曲的结构会带来撕裂物质的巨大潮汐力。假如要将潮汐力降低到人体可以承受的范围,虫洞直径的大小和所需要的负能量物质将是个天文数字。

另外,进入虫洞的任何物质或能量都将立即导致其洞口闭合。因此,可供人类穿越的虫洞在理论上是不存在的。

航天员可进行冷冻休眠?

《星际穿越》影片中为了度过漫长的太空旅程,航天员可以进入飞船超低温床冷冻休眠,而且可自行设定唤醒时间。这样的故事情节是科幻电影经常用的手法,但遗憾的是,这一科幻技术还不能变成现实。

理论上讲,将人体进行超低温冷冻,让细胞停止活动,可以无限制地延长人类的生命。但从目前的科学技术水平来看,人类还不能将人体在不受伤害的情况下进行超低温冷冻。虽然诸如精子之类的细胞可以直接使用超低温液氮进行快速冷冻和解冻,但对于体积稍大的人体器官,如果冷冻速度不均匀,仍然会造成巨大的伤害。目前,科学家正在试验的多种超低温冷冻方法,对于较大生物组织的效果仍然不佳,更不要说将一个人整体冷冻休眠了。

尽管如此,很多身患绝症的人仍然愿意相信并尝试超低温冷冻休眠技术。目前,美欧等一些国家已经有组织开始运作人体冷冻业务,计划将人体冷冻在超低温下,等到未来科技先进到能安全解冻并能治好病后再使其复活。不过,这也是无奈的尝试,事实上没有人知道这些被冷冻的人是否已经受到了伤害,如果现有的冷冻技术不可靠,未来即使超低温冷冻休眠技术成熟了,这些抢先吃螃蟹的人估计也无法醒来。(松鼠)

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