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五维空间的电影,如何理解《星际穿越》中的引力、虫洞、四维和五维空间的概念? <#21---->


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按照牛顿的经典定义,引力也叫万有引力,是任何两个物体之间都存在的相互吸引的作用力,力的大小和物体的质量以及两个物体之间的距离有关。

后来,随着人们对宇宙本质的认识,牛顿的经典定义逐渐被爱因斯坦广义相对论中有关引力的定义所取代,在爱因斯坦的理论中,引力来源于物体质量引起的时空弯曲,这种弯曲效应在大质量物体,特别是天体中表现的更为明显。

上面的图是一个三维时空的二维化示意图,图中的太阳引起时空弯曲,会对地球产生一种向太阳靠近的效应,这种效应就是引力。

从图中可以看出,质量越大的物体,引起的时空弯曲越明显,从而产生的引力也就越大。

理解虫洞也可以从上面的图来看,黑洞造成的时空弯曲已经变得无限大,爱因斯坦根据广义相对论中的引力场方程提出假设,黑洞引力大到任何物质都会被吸引进入其中,就连光也无法逃出,同时,爱因斯坦还假设了另一种特殊天体——白洞,白洞和黑洞的性质恰好相反,是一个只向外发射物质和能量、不吸收的特殊宇宙天体,虫洞就是在黑洞和白洞的基础上做出来的一个假设。

虫洞是一个一端是黑洞,另一端是白洞的狭窄时空通道,可以将遥远宇宙时空连接起来,人们常常想象通过虫洞进行时空旅行,其实是不可能,因为我们没办法造出能够承受黑洞巨大潮汐力拉扯而不断裂的飞船,更不用说还要在从虫洞中出来时承受白洞喷发时的狂暴能量冲击,有一种假设提出,类星体的核心有可能会是一个白洞,类星体是宇宙中最狂暴的能量喷发形式。

三维空间的基础上增加时间维度,这是四维时空,可以这样理解,我们想象有一个三维相机,将我们每一时刻的状态拍下来,然后排列在一起,就是一个四维时空,在四维时空里,时间也变成了一个静态的量,我们可以看到过去,也可以看到未来。

在星际穿越中,主角库珀穿过黑洞之后,所看到一幅幅场景组成了四维时空,而他所处的空间,实际上是五维时空,因为只有身处在更高维,才能像翻相片一样翻看四维时空中的每一个场景。

《星际穿越》里主要展示的是广义相对论,也就是引力的理论。虫洞是从广义相对论里得到的。因为星际穿越这部电影是物理学家基普索恩要拍的,主要想在科幻电影里展示他毕生的研究成果,包括引力、黑洞和虫洞方面的。他是一个主要研究广义相对论的物理学家。

整个引力部分都是按照广义相对论来的,当然加入了一些科幻元素,比如在虫洞的尺寸上,按照他自己的计算,一个可穿越虫洞的半径至少1光年,这显然没法编进去,太阳系才1光年呢,按电影里的航天技术飞1光年要上万年,这没法编。所以索恩编了一个高维文明,他们制造了一个高维虫洞,既然是人工建造的,自然就可以忽略掉自然虫洞的各种限制。



到了虫洞的另一头,问题又来了,编剧需要一个在行星轨道上能造成6万倍时间膨胀的黑洞(1小时等于地球7年)。这当然难不倒这位相对论权威了,通过计算他设计了一个1亿倍太阳质量的星系级黑洞,并且是一个高速自转的超级黑洞。所以这个黑洞的设计比虫洞靠谱多了,因为它完全可以按科学计算来设计,最终呈现的黑洞是索恩把自己都计算结果交给特效公司制作的,所以电影里这个黑洞被称为史上最真实黑洞。你基本上可以把它这部分当做科学视频来看了。



然而脑洞大开的编剧还有更疯狂的想法,他要求男主角库珀进入黑洞获取数据并活着出来。。。_(:D)∠)_

对于这个要求索恩起初是拒绝的,这不科学啊,,,但是他扳不过编剧的大导演诺兰。只好在自己的专业外打主意,他在黑洞内构建了一个四维空间,并且把四维时空里的时间维度在四维空间里的展开成第四个空间维度,让男主角可以四维的时间上前后移动。这已经超出科学理论范畴了,纯粹科幻的。



整个故事的设计很巧妙,产生了一个因果循环,所以故事看起来很精彩,就是难为了科学顾问——严谨的物理学家索恩了。ಥ_ಥ

至于五维空间,电影里并没有,电影里说的是五维时空。

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