《星际穿越》揭秘黑洞长什么样

黑洞长什么样？当然是黑色的啦？什么？黑色？不一定吧，那只是你看到的是黑色的，因为黑洞根本无法让光线逃脱，所以才看起来是黑色的。

实际上是五颜六色的，就像女娲的七彩石一样。

”我们有不同的方法，但我们希望这些方法的结果是一致的。 “研究人员认为，从黑洞的旋转速度与质量的变化一定差异，如果有更多的能够探测到更遥远的黑洞，最终脱水转速绘制与宇宙的时间图不同的宇宙生成的时间，速度分布也表现出星系剑桥大学天文学家安德鲁·菲比恩的进化史说：“我们大多数人认为我们得到一个连贯的画面上的黑洞旋转。 “

黑洞长什么样，可以用计算机来模拟：

施低分教授主要负责研究的理论部分，而约翰利用计算机模拟理论来证明它的正确性现场。斯蒂芬说： “最困难的研究是要认识到，这是值得研究的。 ”约翰，计算机技术的最艰难的时刻的背后，需要花费大量的时间来解决一个简单的问题。不过，他笑着说：“与目前的计算机相比，我们真的，真的很慢的电脑，处理一个问题，需要几个小时甚至一天，但它是最快的，因为有慢”史蒂芬马上补充说：“它看上去太棒了！ ”

谈到如何天文不久，约翰说，时代和家庭对他产生了巨大的影响。他说，上个世纪美国的太空计划令人兴奋的六十年代，让他成为有兴趣在天文学。他提到，他的弟弟已经退休的宇航员， “他感兴趣的天文，高中也在建设自己的望远镜。 ”他说，他的弟弟参与各种太空计划，曾在航天器的工作和安装望远镜。

史蒂芬也同意美国六十年代是“独特的时代。 ”他回忆自己的童年阅读对宇宙学了很多儿童读物， “我记得这本书比喻为宇宙的膨胀将是一个气球充气的过程中，引起了我无数的关联。 ”他说，他自己的身体和学校最感兴趣的是数学，天文学，只是个人爱好，但大学毕业后天文学可以找到所有他喜欢的一个很好的结合了东西时。

“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。（这就是引力，相对论超诡异的。）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（singularity）。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。

影片中展示的“黑洞”形象。为什么黑洞看起来会是这个样子？图片来源：wired.com

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。相对来说，我的时间会过得快一点。

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——《星际穿越》是克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）导演的太空旅行史诗巨作，北美11月7日上映。索恩从这个模型中看到了真实。而技艺非凡的图像制作师诺兰，看到的则是美。黑洞，即使是虚构的，也能让人的感知翘曲。

1972年的索恩。A. T. Service/ Wikipedia

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。不久之后史蒂文·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）签约导演这部影片，编剧乔纳森·诺兰（Jonathan Nolan）写了一个剧本。不过最后斯皮尔博格退出，乔纳森的哥哥，以《记忆碎片》、《盗梦空间》这种把人绕晕的片子而闻名的导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）接手。在克里斯托弗·诺兰重写他弟弟的剧本的同时，他想弄明白这个故事核心里的科学内容。于是，克里斯托弗·诺兰开始与索恩见面。

2013年头几个月里，索恩和诺兰在探讨被物理学家称为“宇宙的翘曲一侧”的问题，如弯曲的时空，现实世界的缺口，还有引力如何弯曲光线。“可以说这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”索恩说道，“然而故事的精髓、拍摄一部一开头就将科学嵌入的电影这一目标，与这其中了不起的科学都得到了保留。

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。当索恩和诺兰讨论这部电影的时候，对于虫洞物理性质的探讨不可避免地向电影制作者提出一个问题：要如何将虫洞表现在荧幕上？

而这并非唯一让电影特效团队头疼的物理学。诺兰的故事依赖于时间膨胀：不同角色的时间过得不一样。为了让这点在科学上说得过去，索恩告诉诺兰他需要一个极大的黑洞——电影里这个黑洞叫“巨人”（Gargantua）——而且这个黑洞要以接近光速的速度旋转着。作为一个电影制作者，诺兰不知道如何将这种东西表现得真实可信。不过他知道谁可以帮他实现这个效果。“克里斯打电话跟我说他要派个人来我家谈谈视觉效果的事情，”索恩说，“我就答道，‘当然，请他过来吧。’”不久后保尔·弗兰克林（Paul Franklin）就到了索恩家。

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？

黑洞扭曲光的示意图。图片来源：Kip Thorne

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。“科幻小说总喜欢把事情弄得神乎其神，似乎普普通通的宇宙总不能让他们得到满足，”弗兰克林说，“而我们从这个软件中直接得到的结果就已经让人难以忘怀了。”

虫洞的成功让特效队伍大胆地用同一方法制作黑洞。但是黑洞星际穿越黑洞名字，看这个名字就知道，是光的杀手。电影制作者常用一种称为光线追踪的技术来渲染图像的光和反射效果。“然而光线追中软件都会使用一个通常来说合情合理假设，就是光沿直线传播，”“双重否定”的CG（计算机图形）监管欧也妮·冯·藤泽尔曼（Eugénie von Tunzelmann）解释到。因为黑洞遵循的可是一种完全不一样的物理规律，“我们就只能再写一个全新的渲染器了。”

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。”

“克里斯托弗希望我们能向观众传达黑洞是球状的这一信息，”弗兰克林说，“我就跟他说，‘你知道的，它看起来会像是个圆盘。’你唯一能看到的就是它如何使笔直的光线拐弯。”过后弗兰克林开始阅读吸积盘（accretion disks）的内容。吸积盘是一团凝聚在一起的物质，它围绕着黑洞旋转。弗兰克林发现他可以用这圈环绕的碎石来确定黑洞的外观。

冯·藤泽尔曼做了一个巧妙的演示。她建立了一个多色的平面圆环代表吸积盘，然后把它放在旋转的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情发生了。“我们发现黑洞外围扭曲的时空同样弯曲了吸积盘，”弗兰克林说：“因此吸积盘并不像是土星环那样围绕着一个黑色的球，相反，光线弯曲会产生这样一个奇特非凡的光晕。”

中的吸积盘形象。图片来源：gq-magazine.co.uk

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。

尽管如此，没有人会知道黑洞到底是什么样子的——除非他们真的造一个出来。黑洞周围那些被吸过去但是逃脱一劫的光，在黑洞的阴影附近展示了出人意料的复杂特征图谱。而发光的吸积盘则在黑洞的上下方以及前方出现。“我从没预料到结果会是这样的，”索恩说，“欧也妮就做了这个模型然后说，‘嘿，我得到了这个。’这真是太棒了。”

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，“自然就是这样子的。句号。”索恩说他能从中发表至少两篇文章。

根据索恩提供的公式，特效人员构建出了黑洞模型，黑洞周围的光呈现出奇特的景象。图片来源：Interstellar

当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容时——黑洞的碰撞，旋转的星球引起的运动的时空，时间的弯曲——他会运用大量的类比，例如比作两个龙卷风相遇，或者将光线的弯曲比作风中的稻草。然而类比亦会蒙骗人们的双眼，让人们以为自己明白了某种事物的原理而实际上只是明白这个这种事物的表象。不过索恩带着光环的旋转黑洞，和涉及扩张星系的虫洞，不只是类比。绝大多数《星际穿越》的观众看到这些画面后——虫洞、黑洞、奇怪的光线——会心想“哇哦，那真是漂亮啊。”而索恩看到这些画面则会想，“哇哦，那真是真实啊。”而且在某种程度上，他也觉得它们很漂亮呢。

科学圈怎么吐槽《星际穿越》？

克里斯托弗·诺兰的新作《星际穿越》已经于11月7日在北美上映，11月12日登陆中国。这部片子的一个重大看点是，片中给出了有史以来最为真实的黑洞模拟，而创作这个模拟的人，则是著名物理学家基普·索恩（Kip Thorne）。按照索恩的说法，这个模拟的数据够他发表两篇论文了。很多评论者也因此盛赞这是“最科学的科幻电影”。

不过，虽然黑洞本身的模拟有索恩坐镇，电影其他部分的科学就无懈可击了吗？显然，科学圈子并不这么认为，也没有被索恩这个“大牌”吓到。以下，就是来自科研界和科学传播界的吐槽。

警告：

1.吐槽部分有中度剧透。

2.即便不考虑剧透，先看吐槽也可能影响观影体验。

罗伯托·特罗塔（Roberto Trotta），天体物理学家，伦敦帝国学院高级讲师

“主要太空船永恒号（Endurance）的设定相当不错。绕轴旋转为漫长旅途提供重力，这很好。窗子的位置和光影旋转的关系，干得漂亮。但我要批评一点：看不见燃料箱。要进行星际太空旅行，你需要大量的燃料，飞船一大部分质量都应该被燃料占据才对，难以想象永恒号要用什么样的方式推进。这个问题在他们抵达土星的时候就非常明显了：怎么减速？你得在飞船前面装一个大火箭，和你开始用来加速的火箭一样大才行。就这么简单，不然你就会错过行星直接擦身而过。电影里那点儿反推火箭实在是太小了。

编者注：另一方面，如果船员人数这么少，大部分时间又都在冬眠，那么这艘船看起来好像也的确太大了……也许那些看起来是生活舱的其实是燃料舱？但这又带来另一个问题：燃料舱又不需要人造重力，干嘛摆在外圈浪费能量呢。

环形太空船是标准的长途旅行装备，不过考虑到燃料需求，这还是太小了。图片来源：Interstellar剧照

“此外，两年时间抵达土星在我看来似乎……短了一点儿。如果使用燃料效率最高的办法抵达，那么会花大约4.7年，还得是在行星排列在最佳位置的时候。‘新地平线’探测器的确只花了2年4个月就飞到了土星，但那是因为人家的目的地是冥王星，飞过土星不必减速。如果你想在土星停一下，花的时间就要多很多，因为你得踩刹车才能入轨。

编者注：理论上讲不减速倒是也可以，你可以高速一头直接撞进虫洞去（如果对驾驶精度足够自信），不过从画面上来看，他们在土星附近的速度还是太慢了。

“黑洞的视觉效果呈现——一团发光物质围绕着它，并逐渐被引力吞掉——是相当合理的。但是如果你进入了这个区域，那你要么会被灼热的伽马辐射杀死，要么会被引力撕开。离黑洞非常近的时候，你脚底的引力会比头顶的大很多，所以你会变成意大利面条——被撕扯成细细的一条物质。

“电影的数学外衣相当不错——比如，黑板上的公式真的是教科书上的广义相对论公式，科学极客看了肯定心中暗爽。后来剧本说这些公式会失效，因为科学家还不理解引力和量子机制如何共同作用，这也很公允。但是电影解决这个问题的办法不过是派一个机器人下到黑洞那边去送回‘量子数据’——就这么简单？这讲不通啊。听起来只是他们编出来用以推进剧情发展的，背后没有真的物理学。”

编者注：并且能靠秒针莫尔斯电码传递的数据量，也太少了吧……

然公式对了是好事儿，但是除了大学课堂上，应该没有别的场合需要把基本公式在黑板上写一遍了吧……图片来源：Interstellar剧照

菲尔·普莱特（Phil Plait），天文学家，著名天文博客“糟糕天文学”博主

“电影里NASA已经几十年没有拿到像样的资金了，他们怎么就能发射几十艘载人飞船呢？每艘恐怕花费得上千亿美元吧。而且不可思议的是，这些飞船都是从紧贴办公楼的一个地下竖井发射出来的。我们不清楚为啥飞船一定要载人而不能全自动操控，也不清楚为什么传回来的数据只能是低带宽的、没多少信息，在我看来这只是厚着脸皮拿出来的粗糙剧情道具，以便让库帕和他的船员不得不亲自去看一眼。

编者注：现实中NASA的经费大概只有电影里展现的零头……但是万一人家美国政府就是突然醒悟，在军队都没了的情况下还愿意全力支持太空事业呢？就算是美好理想吧。

“库帕成功驾驶飞船穿越了虫洞，在另一边他们发现了三个行星——不知怎么的它们围绕着一个黑洞。看到这里我长叹一口气。这些行星从哪里得到热量和光线啊？好像没有恒星不行吧。热量肯定不是来自黑洞本身的，因为接下来库帕（无可避免地）要下到黑洞里面去，他也没被烤熟。所以这些行星明明附近没有热源，不知怎么的却适宜居住。

“其中一颗行星距离黑洞很近，以至于出现了强烈的时间扭曲，表面一小时等于地球上七年。我认识的好几个天体物理学家都认为在这个距离上，黑洞的潮汐力应该足以摧毁行星，但实际数学推演的结果还不清楚。他们还在计算这个问题。

“船员在这颗行星表面发现了周期性的滔天巨浪星际穿越黑洞名字，大浪并没有得到解释，想来是黑洞引发的潮汐力吧——但是距离黑洞这么近，这颗行星恐怕早该被潮汐锁定了，一面永远面向黑洞。这意味着会有巨大的海水鼓包出现在正对黑洞和背向黑洞的两个方向，但是这俩鼓包相对行星表面是不会移动的，所以也不该有浪。”

罗伯特·奈耶（Robert Naeye），天文学家，《天空和望远镜》杂志总编

“科学方面我最大的意见是当船员抵达其他星系的时候。明明没有足够的燃料拜访所有行星，却要肉身亲自前往。这引发了船员之间的有趣讨论，因为他们要决定拜访哪颗行星、按照什么顺序。可是现实中，未来的宇航员会先架起望远镜，从远处研究行星大气。使用光谱学，他们能快速而高效低决定哪些星球的环境更适合人类居住。事实上，如果国会肯掏钱，NASA在接下来十年里就能在地球上建起这样一台望远镜——‘类地行星发现者’（TPF）。如果库帕的船员在太空船上架设一台类似望远镜，他们就不必浪费时间在头两个星球上了。当然，省去了登陆也就意味着失去了剧情最富戏剧性的几个瞬间……

“电影制作者花了很大的工夫渲染出科学上准确的黑洞，包括光的弯曲。但是他们好像忽略了多普勒效应和相对论性射束效应。吸积盘快速环绕着黑洞旋转，其中总会有些面向观察者飞来、另一些远离观察者而去，飞来的那些物质看起来应该更蓝也更亮才对。而且虽然电影展现了明亮的吸积盘，可是这些被吸过来的物质却没有显而易见的来源（比如附近的恒星）。”

吸积盘发出的光在我们看来其实是不对称的：因为灼热气体环绕黑洞的速度太快，所以假如图中气体俯视是逆时针旋转，那么左边的气体会向我们飞来，而右边的气体则会离我们而去。这张图只显示了相对论性射束效应（亮暗变化），没有显示多普勒效应（红蓝变化）。图片来源：Chris Reynolds

但总之，吐槽归吐槽，欣赏归欣赏。为了剧情，好莱坞商业片不可避免地要碰到科学的边界，它有了这么多吐槽之处也只是因为它涉及的科学内容太多了——毕竟，如天体物理学家尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）所说，它展现了最好的零重力、时间稀释和空间翘曲，更不用说虫洞和黑洞。或者，像罗伯托·特罗塔承认的一样，“这本来就是个难活儿啊！”【/文果壳】