科學(xué)家觀測(cè)到引力波，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦100年前的假說(shuō)，成了這兩天最大的新聞。引力波究竟有多重要，已經(jīng)有太多科普文章介紹，這里不贅。

其實(shí)早在科學(xué)家宣布這一重大發(fā)現(xiàn)之前，克里斯托弗·諾蘭已經(jīng)在他的科幻電影《星際穿越》中運(yùn)用引力波作為手段，來(lái)跨越時(shí)空傳遞關(guān)鍵的信息?！缎请H穿越》的科學(xué)顧問(wèn)和制片人Kip Thorne正是引力波研究的權(quán)威。

他的主要工作是探測(cè)引力波和預(yù)測(cè)引力波形，他發(fā)起成立了激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），而LIGO正是這次率先觀測(cè)到引力波的機(jī)構(gòu)。

 
科學(xué)家為直接探測(cè)到引力波的消息歡呼，右一是Kip Thorne

下面我?guī)痛蠹襾?lái)回顧一下《星際穿越》，并詳細(xì)介紹它涉及的宇宙學(xué)知識(shí)。

包括引力波在內(nèi)的宇宙學(xué)概念構(gòu)成了這部影片情節(jié)能夠成立的根基，但因?yàn)殡娪安⒉皇菄?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論文，甚至也不是科普，所以不可能將所有科學(xué)設(shè)定巨細(xì)靡遺地闡述出來(lái)，留下了很多模糊的空間。

本文試圖做兩件事，一是給諾蘭的這部電影打上一些補(bǔ)丁，把影片沒(méi)有說(shuō)完的話說(shuō)出來(lái)，幫助讀者和影迷理解諾蘭眼中的那個(gè)宇宙；二是對(duì)影片所依賴的某些基本概念和假說(shuō)提出我的質(zhì)疑。

這部電影為人類的宇宙遷移提供了三個(gè)居住地選擇，離黑洞最近的一顆行星上有周而復(fù)始的巨大潮汐，第二近的行星上則天寒地凍，反而是最遠(yuǎn)的那顆較適宜居住。按照如此設(shè)定，只能想象此星系應(yīng)該屬于一個(gè)黑洞／恒星繞著轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)。由于電影的主角是黑洞，所以恒星沒(méi)有撈到出場(chǎng)的機(jī)會(huì)。

 
黑洞／恒星雙星系統(tǒng)

1973年，霍金等人證明出「黑洞無(wú)毛定理」：當(dāng)黑洞形成后，只存在三個(gè)不能轉(zhuǎn)化為電磁輻射的物理量：質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷。其他關(guān)于黑洞的信息都像毛發(fā)一般被剔除蒸發(fā)了。所以，黑洞不可能向外發(fā)送任何電磁信息。但是，像黑洞這種大質(zhì)量天體，在演化或者運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)干擾空間引力波的傳播，如果儀器精度足夠高，理論上可以觀測(cè)到一定變化。

于是，庫(kù)珀在黑洞里像彈棉花一樣通過(guò)引力波傳送信息，居然也有了一定科學(xué)依據(jù)。

 
彈棉花

問(wèn)題是，他到底在向哪里傳送信息呢？肯定不能是他之前所在的宇宙。因?yàn)樗诘羧胍暯缑娴囊凰查g，他之前所在的宇宙就已經(jīng)完全消失，這又是為什么呢？

影片中提到，黑洞中心密度無(wú)限大的強(qiáng)引力會(huì)扭曲中心奇點(diǎn)附近的時(shí)空，在奇點(diǎn)周圍形成一個(gè)稱為視界面的東西。影片中沒(méi)提到的是，視界面內(nèi)的時(shí)空，與視界面外的時(shí)空，不可能存在任何因果聯(lián)系。

 
影片中的黑洞視界面

看到庫(kù)珀父女的年齡相同之后，觀眾應(yīng)該已經(jīng)被迫接受了一點(diǎn)廣義相對(duì)論的時(shí)空觀。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是引力越大的地方，時(shí)間越慢。而在黑洞的視界面上，其引力大到足以「停止」了視界面外部世界的時(shí)間。也就是說(shuō)，雖然觀眾的視線跟隨著庫(kù)珀，「嗖」一聲穿過(guò)視界面，掉進(jìn)花里胡哨的時(shí)空魔方里面彈棉花，但在被庫(kù)珀放鴿子的美女布蘭德博士看來(lái)，耍帥的庫(kù)珀只會(huì)無(wú)限緩慢地接近視界面，卻永遠(yuǎn)不可能穿過(guò)視界面。正如俗語(yǔ)所說(shuō)：相對(duì)論是個(gè)婊子（Relativity is a bitch）。

 
Relativity is a bitch.

對(duì)此不好理解的話，我們可以來(lái)講一個(gè)古希臘的悖論：

話說(shuō)海洋女神忒提斯和英雄珀琉斯之子阿基里斯，天生飛毛腿，閑著無(wú)聊愛(ài)追烏龜。假設(shè)阿基里斯的速度是烏龜?shù)氖?，烏龜在阿基里斯前面一千米處；?dāng)阿基里斯追上一千米后，烏龜向前跑了一百米；阿基里斯追上一百米后，烏龜又向前跑了十米；追上這十米，烏龜又上前了一米……也就是說(shuō)，阿基里斯每追上一點(diǎn)，烏龜總會(huì)比他又向前一點(diǎn)。以此類推，阿基里斯將永遠(yuǎn)追不上烏龜。

當(dāng)然，只要學(xué)過(guò)高中課本里的等比數(shù)列，任何一個(gè)高中生都能算出阿基里斯追過(guò)烏龜?shù)木唧w位置。為了理解黑洞穿越的視界面悖論，我們只要把阿基里斯追烏龜悖論里的空間換成時(shí)間便可：阿基里斯和烏龜之間被分割成無(wú)限的距離，相當(dāng)于布蘭德博士在視界面外所經(jīng)歷的無(wú)限時(shí)間。

在這無(wú)限的距離中，阿基里斯無(wú)法追到烏龜，布蘭德眼中的庫(kù)珀無(wú)法穿過(guò)視界面。可對(duì)阿基里斯和庫(kù)珀來(lái)說(shuō)，超過(guò)烏龜和穿過(guò)視界面，只在無(wú)限外的那一處，和無(wú)限外的那一瞬。

所以，影片最后，如果庫(kù)珀教授返回太空尋找布蘭德教授，要替人類在新世界中繁衍后代。那他一定會(huì)在黑洞視界面附近，看見(jiàn)另一個(gè)正在經(jīng)歷著時(shí)間延遲的自己。

換句話說(shuō)，庫(kù)珀變相實(shí)現(xiàn)了時(shí)間旅行。

當(dāng)然，就現(xiàn)實(shí)而言，以庫(kù)珀這身裝束，接近視界面時(shí)早已被引力撕扯得稀巴爛了，根本不用考慮什么視界面悖論。為了能讓故事成立，只能假定，是「他們」在黑洞里安裝了人類物理學(xué)現(xiàn)在所不能解釋的裝備，選擇性地讓庫(kù)珀和小機(jī)器人存活了下來(lái)。

蟲(chóng)洞對(duì)于現(xiàn)今的人類來(lái)說(shuō)，完全只是一種理論假想。至今為止，沒(méi)有任何觀測(cè)證據(jù)能證明其存在。早期的蟲(chóng)洞假說(shuō)，也稱為「史瓦西蟲(chóng)洞」（Schwarzschild wormholes），其實(shí)來(lái)自于不帶電和不自轉(zhuǎn)的史瓦西黑洞理論——這種黑洞也就是影片中所謂的溫柔黑洞。

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，這種蟲(chóng)洞相當(dāng)于一個(gè)黑洞加一個(gè)白洞，黑洞的奇點(diǎn)將一切吸入，白洞的奇點(diǎn)將一切噴出。這種單向的蟲(chóng)洞不像是兩宇宙間的通道，而更像是兩宇宙間演化的延續(xù)——黑洞奇點(diǎn)吸收的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化為白洞奇點(diǎn)所噴發(fā)的物質(zhì)能量。后人將黑洞的自轉(zhuǎn)加入考慮，黑洞和白洞的奇點(diǎn)則變?yōu)槠纥c(diǎn)環(huán)，但性質(zhì)沒(méi)變，一切物質(zhì)在經(jīng)過(guò)奇點(diǎn)環(huán)時(shí)依然會(huì)被粉碎為純粹的能量。

 
史瓦西蟲(chóng)洞，黑色的弧為視界面，視界面左右兩側(cè)的宇宙，分別對(duì)應(yīng)著白洞的噴發(fā)和黑洞的吸入

影片中的蟲(chóng)洞，則是索恩教授在1988年假想出來(lái)的雙向蟲(chóng)洞，又稱莫里斯-索恩蟲(chóng)洞（Morris-Thorne wormhole）。這種黑洞靠「奇異子」物質(zhì)來(lái)支撐。所謂「奇異子」，即質(zhì)量為負(fù)數(shù)的理論粒子，這類奇怪的粒子經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在M理論等弦論數(shù)學(xué)模型中。和弦論中大多數(shù)假設(shè)一樣，奇異子在現(xiàn)實(shí)中并沒(méi)有被真實(shí)觀測(cè)到，但若公式里引入它們的話，確實(shí)能解釋許多現(xiàn)有理論難以自洽的問(wèn)題。

有文章分析，這類蟲(chóng)洞很可能在宇宙早期由負(fù)質(zhì)量的宇宙弦所打開(kāi)。按照索恩自己的說(shuō)法，現(xiàn)今宇宙缺乏奇異子物質(zhì)，只有等到更高等的文明出現(xiàn)后，可以生產(chǎn)或收集足夠多的奇異子了，一個(gè)穩(wěn)定的莫里斯-索恩蟲(chóng)洞才有可能被制造出來(lái)。

德國(guó)蒂賓根大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)莫里斯-索恩蟲(chóng)洞的模擬圖，此蟲(chóng)洞連接德國(guó)蒂賓根大學(xué)物理系門前廣場(chǎng)和法國(guó)北部的波洛格內(nèi)沙丘，不過(guò)此模擬并沒(méi)考慮光線的波長(zhǎng)畸變

《星際穿越》中的莫里斯-索恩蟲(chóng)洞，同樣沒(méi)考慮光線的波長(zhǎng)畸變

即便不涉及黑洞奇點(diǎn)，這類引力強(qiáng)大到能扭曲時(shí)空的通道，為何對(duì)影片中宇宙飛船基本毫無(wú)影響？參考上面庫(kù)珀穿越黑洞的解釋吧。

按弦論的數(shù)學(xué)模型推算，宇宙至多存在十一維空間。在我們所能感知到的四維宇宙里，有許多被蜷縮起來(lái)的高維弦存在。這種蜷縮，舉例說(shuō)來(lái)，就像將二維的塑料，卷成一維無(wú)限細(xì)的吸管。

 
吸管

理論上，當(dāng)這些弦相互作用時(shí)，或會(huì)引發(fā)類似伽馬射線爆一般劇烈的天體現(xiàn)象。同樣屬于假想的蟲(chóng)洞，一般認(rèn)為是四維宇宙經(jīng)過(guò)高維折疊后的時(shí)空捷徑。但更高維的世界究竟長(zhǎng)啥樣，唯一能肯定的是，必然會(huì)迥異于所有的四維想象。

可以做一個(gè)類比。讓我們先忽略時(shí)間這一維度的影響。作為三維生物的我們，可以在二維平面上畫(huà)一個(gè)圓圈，并在圓圈中畫(huà)上五角星、四邊形等其他圖形。這時(shí)，二維生物在它的平面空間里，只能看到一條直線或曲線，而看不見(jiàn)封閉圓圈里面的其他內(nèi)容。 

二維眼睛看到的圓圈

同理，我們?nèi)S生物，被皮膚這層曲面包裹了所有的內(nèi)臟。如果一個(gè)四維生物看見(jiàn)了我們，理論上講，應(yīng)該能看透曲面，我們的內(nèi)臟將在視覺(jué)上脫離于我們的皮膚而存在。劉慈欣《三體》系列的第三本《死神永生》里，有更為精妙的高維世界描述。也許，四維生物的審美可能會(huì)更傾向于畢加索的作品吧。

 
畢加索的《尸骸屋》

所以在我看來(lái)，影片中小女孩房間的時(shí)空魔方還是太平常了，遠(yuǎn)不如《2001太空漫游》最后一片夢(mèng)魘般雜亂的蒙太奇驚艷。

 
《2001太空漫游》中的星門

當(dāng)然，劇情需要黑洞內(nèi)外進(jìn)行能讓觀眾清晰明白的彈棉花互動(dòng)，這樣安排也無(wú)可厚非。

至于維度問(wèn)題，還有種有趣的看法：我們的四維宇宙會(huì)否只是更高維度世界的投影？愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：「如果月亮有自己的意識(shí)，那它也許以為，自己繞地球運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樽杂梢庵径皇且驗(yàn)槿f(wàn)有引力?！鼓俏覀兯木S的自由意志，在更高維的世界看來(lái)，會(huì)不會(huì)僅僅是一種可預(yù)測(cè)的自然規(guī)律呢？這種現(xiàn)代物理所帶來(lái)的奇異猜想，又讓人回想起了柏拉圖的洞穴論。

 
柏拉圖的洞穴

按影片中庫(kù)珀的說(shuō)法，制造黑洞和蟲(chóng)洞的「他們」，應(yīng)該是未來(lái)高度文明的人類?！杆麄儭钩搅藭r(shí)間空間，專為兩父女整了那么一出解救全人類的戲碼。

為什么要找他們兩父女呢？

在災(zāi)害剛發(fā)生的時(shí)候，未來(lái)的「他們」曾想和現(xiàn)在的人類溝通。不過(guò)，要傳遞「他們」的信息，似乎僅能通過(guò)黑洞裝置的引力波實(shí)現(xiàn)。片中NASA科研人員說(shuō)，地球曾發(fā)生了數(shù)次引力異常，其中一次還害得庫(kù)珀墜機(jī)退休回家耕田。這其實(shí)是「他們」給現(xiàn)代人發(fā)的信息，無(wú)奈現(xiàn)代社會(huì)太愚昧了，沒(méi)人能讀懂。所以「他們」才精心布局，利用了這對(duì)有可能在黑洞內(nèi)外溝通的高智商父女。

高智商父女

這種說(shuō)法存在一些邏輯漏洞。

「他們」的引力波可以精確到控制機(jī)械零部件，改變拖拉機(jī)行駛方向。甚至像庫(kù)珀彈棉花那樣，能精確到影響表針的跳動(dòng)。那么在理論上，「他們」完全可以想出一個(gè)更簡(jiǎn)單的方式去傳遞信息。

而且，難道真的只有引力波能穿越時(shí)空傳遞信息？庫(kù)珀在結(jié)尾時(shí)分明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行了。那「他們」完全可以從未來(lái)派一個(gè)專家來(lái)寫(xiě)方程啊。

還是說(shuō)，在「他們」的歷史里，事件正是如此發(fā)生的，所以，為了歷史的自洽性，他們完全不考慮工作效率，僅僅是盡可能地去還原「歷史」？

于是我只能傾向于另一種可能：「他們」并不是人類，只是一種喜歡看人類狗血家庭劇的超時(shí)空高等物種，閑得無(wú)聊的時(shí)候，丟出一個(gè)有選擇性接收功能的黑洞蟲(chóng)洞，再隨便抽樣出兩父女來(lái)做了個(gè)人類學(xué)實(shí)驗(yàn)。