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杨超  (北辰)
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专家解读《星际穿越》:黑洞与未来生存空间

杨超  发布于:2014-12-05

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    近日热映的好莱坞大片《星际穿越》中,男主角库珀选择坠入黑洞,结果他在黑洞奇点附近被未来人类拉进一个五维时空,引发全剧高潮。他的机器人伙伴塔尔斯拿到了奇点数据,让库珀通过摩尔斯电码传送给女儿,帮助她解开了那个能拯救人类的引力方程。影片结尾,人类已移居到土星附近的空间站,摆脱了地球的恶劣环境。
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  黑洞的奇点蕴含着怎样的奥秘?现实中,人如果坠入黑洞会发生什么情况?人类未来可能生活在哪里?且听专家一一道来。
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  黑洞为何能“吞噬”光
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  著名科普作家、中科院国家天文台客座研究员卞毓麟介绍,黑洞是科学家根据广义相对论做出的一个重要推测,1969年由美国物理学家约翰·惠勒命名。这个推测已被天文学观测证实。也就是说,黑洞是真实存在的,是宇宙中的一种天体。
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  其之所以称为“黑洞”,是因为无法用光或其他形式的电磁波观测它,任何发射到黑洞的光都会被吸收,而不会反射回来。这是什么原因呢?让我们从地球引力讲起。人在地面上向天空抛射一个物体,无论用多大力,物体速度有多快,总会掉落下来,这就是引力的作用。然而,当一个物体(如航天器)的飞行速度达到11.2公里/秒,就可以摆脱地球引力的束缚,飞离地球进入行星际空间,不再绕地球运行。这个脱离地球引力场的最小速度称为“第二宇宙速度”,也称“逃逸速度”,即逃逸地球引力场的最小速度。
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  每个天体的逃逸速度是不同的。比如,太阳的逃逸速度约为618公里/秒,也就是说,假如在太阳上发射航天器,它的速度至少须达到618公里/秒,才能脱离太阳的引力场。
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  那么黑洞的逃逸速度是多少呢?答案是:大于光速。宇宙中没有任何物体的速度超过光速。这表明,包括光在内的任何物质和辐射只要进入黑洞的“视界”(引力场的一个封闭边界),都无法逃脱它的“魔爪”。因此,黑洞“黑”到了极致,人类根本无法直接观测。
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  然而,黑洞的存在有其蛛丝马迹。一种迹象,是附近星球的运行轨迹异常。因为黑洞的引力惊人,在其“视界”外附近的星球,势必受到明显影响。在《星际穿越》中,那颗巨浪像山一样的巨浪星,就处在黑洞附近,以至于许多观众吐槽说:明知这颗行星在黑洞附近,还要去探测它是否适合人类居住,难道未来人类的科学水平这么低吗?第二种迹象,是强烈的X射线源。宇宙中遍布气体、尘埃等星际物质,它们在即将进入黑洞“视界”时,会发出强烈的X射线。所以在宇宙中观测到异常的X射线源,就应该进一步分析后可能会判定那里是否存在黑洞。
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  接近黑洞奇点会发生什么
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  黑洞是怎么形成的?卞毓麟说,超大质量的恒星,其归宿是变成黑洞。像太阳这样的小质量恒星,最终会变成白矮星。质量较大的恒星最终会变成密度更大、引力更强的中子星。而超大质量恒星最终会形成引力超强的黑洞。
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  物理学家认为,在黑洞的中心存在奇点。它的密度无限大、引力场无限强、体积无限小。
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  目前,包括广义相对论、量子力学在内的所有科学理论都无法描述这个点,它是宇宙万物中最神秘的存在。
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  无怪乎,《星际穿越》 的编剧充分发挥想象力,设置了这一情节:因缺少奇点数据,老教授布兰德解不开一个引力方程,无法把地球上的人类送到太空中定居。最后,男主角库珀和机器人塔尔斯进入黑洞,拿到了奇点数据,使他的女儿解开方程,把人类移民到空间站。
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  不过,从科学角度分析这段情节,存在一些疑问。比如,人如果进入黑洞,能否平安到达奇点?引力源对物体产生引力,由于物体上各点到引力源距离不等,所以受到引力大小不同,从而产生引力差,对物体产生撕扯效果,这种引力差称为潮汐力。黑洞具有极其强大的引力场,当人头朝上,脚朝下垂直地落向黑洞,人的脚底受到的引力比头顶大很多,这种潮汐力导致人被拉长、撕碎,物理学界称之为“意大利面条化”。
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  但专家指出,据此质疑《星际穿越》的科学性,低估了这部影片的科学把关人——美国理论物理学家基普·索恩的水平。根据研究,黑洞可分为几类。微型黑洞由于尺度小、稳定性差,难以观测。稳定黑洞分为恒星级黑洞和超大质量黑洞。前者的质量一般是太阳质量的几倍到几十倍,后者的质量可高达太阳的几十万倍。如银河系中心存在质量相当于400万个太阳的黑洞。
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  恒星级黑洞在科幻作品中曝光率很高,“视界”内部密度极高,潮汐力惊人,人一旦坠入就会变成“意大利面条”。而超大质量黑洞的尺度很大,质量又集中于内核,其“视界”附近的潮汐力很微弱。影片中男主人公进入的黑洞,应该属于超大质量黑洞,因此穿过“视界”时没有被潮汐力扯断。当然,越接近超大质量黑洞的中心,人受到的潮汐力越大,如果没有未来人类为他开辟的五维时空,库珀的最终命运仍是变成“意大利面条”。
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  人类未来应移居哪里
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  卞毓麟说,当124岁的库珀苏醒后,他被告知人类已移居大型空间站,这个结尾很好,也值得现实生活中的我们思考:人类未来的生存空间是哪里?
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  随着人均寿命的延长,地球人口在不断增长。虽然增长幅度未来可能减小,但地球总有一天会人满为患、资源供不应求。多出来的那部分人可移居哪里?有人提出开发地球的地下空间,有人提出到海洋里建房居住,然而这些方案并不能从根本上解决问题,因为地下、海洋也面临人满为患、资源供不应求的问题。
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  卞毓麟认为,从长远看,移居太空势在必行。科学家们设想,在漫长的岁月中,人类可以陆续建造一批大型空间站,每个空间站可容纳10万以上人口。这些未来人类的太空定居点将从地球附近逐渐扩展到太阳系的远方。比如,太阳系的小行星带有丰富资源,人们能就地取材,繁衍更多、更遥远的空间站。
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  科幻作家、《三体》 作者刘慈欣也认为,人类未来应移居太空,拥抱“星舰文明”。为此,他构想了4个阶段。
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  首先,是向月球移民。紧随月球移民之后,是在地球轨道上建立太空城。太空城是一个庞大的空壳结构,高度封闭,要承受内部大气压和自转产生的强大离心力,这对于材料和建设工艺都是巨大的挑战。太空城和月球移民有一共同特点,是“殖民地”距地球较近,这使“殖民地”可以部分或全部由地球的补给维持。但真正意义上的太空移民,必须建立起自给自足的生态系统。这种移民很可能从火星移民开始,生活在那里的人类必须实现资源自给自足。
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  刘慈欣认为,在更远方召唤人类的,是向太阳系外的星系移民。在太阳周围15光年范围内,有50多颗恒星。在人类掌握恒星际航行技术之前,飞船到达那些恒星需要漫长时间。因此,恒星间的移民等同于向飞船上移民,飞船本身就是移动的“殖民地”。永恒的星舰漂泊,可能成为人类文明的一种正常生存状态。据解放日报
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