《星際效應》的科學事實與想像(文末有雷) - 電影

之三，《星際效應》的科學事實與想像


關於《星際效應》已經在部落格上寫了三篇。第一篇《星際效應》（人性至上的
末日寓言）談到本片導演克里斯多福諾蘭可能有意無意地想讓觀眾將《星際效應》
視為「鬼片」（或者說是神片也行），第二篇文章《星際效應》（科學與神蹟）
則是聊「科學能創造神蹟，科幻片等同於鬼片」的概念。但只有第三篇《星際效
應》讓我有欲望把文章po在這邊，聊的是科學的部分，有興趣者歡迎點閱連結。
( http://cheercut.pixnet.net/blog/post/41619514 為原始網址)


一、淺談原理（重力扭曲時空、超弦理論、諾蘭的五次元時空）

《星際效應》的一切，當然離不開科學。

首先我們知道，人類所存在的空間是三維空間（三度空間），而「時間」是「第
四個維度」。「時間」之於三維世界的我們而言，是無法控制的，即使我們透過
科技的發展，從汽車道飛機，縮短了到世界各地的時間，但我們依然無法隨心所
欲的去到任一個時間座標，無法回到過去也無法穿越未來。而《星際效應》所用
到的科學概念，很像是融合了既有的科學常識與其來有自的科學假設，由權威物
理學家基普索恩Kip Thorne擔任聯合製作，導演諾蘭這次打造出來的科幻片，不
是天馬行空的視覺特效，而是貨真價實的天文物理，讓世人用最粗最娛樂與美麗
的方式，理解愛因斯坦相對論中的「重力」。


神奇的「重力」

或許雀雀在研究所時代對蟲洞研究所做的相關 diagram（圖解）可以幫助大家有
個粗淺的了解：在愛因斯坦的廣義相對論中，三維的空間加上時間維度成了四維
的「時空」。為了呈現重力對於時空的影響，科學家將時空描述成平直光滑有如
一張無限延伸的床單，當一個重物掉入床單上產生重量，讓原本平坦的床單產生
凹陷，也代表了「重力」扭曲了「時空」。

重力透鏡效應

先以光線作為例子，光依然如我們所認知的在時空座標上直線前進，但在經過星
體（包含恆星及黑洞）產生的重力場時，因為時空被扭曲了、座標歪了，雖然光
還是自以為的直線前進，但對於在地球上觀測的人類來說，看到的光，其實已經
偏折了。以上是所謂的重力透鏡效應，雖然《星際效應》中並未提到，但在釋出
的電影特輯中，特效團隊利用物理學家基普索恩所假設並計算的數學式，讓黑洞
週邊的重力透鏡效應呈現在大螢幕上，也因此觀眾在電影中看到的是最接近理論
的宇宙現象。（諾蘭：爺拍的不是特效，爺拍的是真正的天文物理）

（圖1重力扭曲時空與重理透鏡效應）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1415678336-3396504137_n.jpg

引力時間膨脹

回頭說時間，若一格格小方格代表一個固定的時間單位，因為重力讓時空扭曲，
附近的方格也被拉大。若一台太空梭經過重力場附近扭曲的方格，度過一個單位
時間，在同時另一台太空梭在沒有受重理場影響的方格，可以度過兩個甚至更多
的單位時間。重力讓時空扭曲、讓時間膨脹，在重力場附近的時間過得慢，遠離
重力場時間過得快；在強大重力場附近度過1小時，遠離重力場可能數年。

（圖2）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1415711218-971772251_n.jpg

簡單的舉例，假設你坐太空梭去另一個比地球重力大很多的星球，或是經過黑洞
邊緣一年，之後再回到地球，地球可能已經過了十年、廿年或三十年以上了。
如圖2 ，在黑洞附近受重力影響，可能待一個小時，地球就過了七年；若進入黑
洞的視界（黑洞的邊緣，和物質包含光線若進入視界則無法逃脫），則地球可能
過了二十、三十年；若掉進了奇點（奇異點，黑洞中心，重力無限大），目前已
知的物理定律與假設都會失效，電影在這有個充滿可學想像的轉折。


蟲洞

由於扭曲時空需要靠的是重力，若人類到能夠控制且產生重力，那麼便能扭曲時
空，那就有機會得以產生黑洞（引力極大，吸收週邊一切物質能量的星體），及
相對應的白洞（與黑洞完全相反，將能量物質不斷對外射出的星體）。兩者透過
蟲洞連結，就可以穿越時空。但在《星際效應》中人類還未擁有控制重力的文明。

我們可以一張宇宙想像成一張白紙，而人類是白紙上的螞蟻，二維世界的簍蟻只
看到自己身處一片茫然白紙卻無法看到拿著紙張的三維世界的人類。人類好心地
幫螞蟻把紙彎曲對折，讓螞蟻瞬間從Ａ走到Ｂ，但螞蟻卻不會明白是誰用什麼樣
的方式讓牠迅速到達。

（圖3螞蟻自己從Ａ到Ｂ最好的路徑是直線，但人類把紙對折，它就可以瞬間直達
http://pic.pimg.tw/cheercut/1414943570-119633557_n.jpg

同理，我們人類對於高維世界的人而言，就是簍蟻。

在《星際效應》裡面，不知道是誰（未來人類或是神？）把時空彎曲對折、生出
了蟲洞，於是總之電影裡面的這支「漫遊者」太空團隊打算經過這蟲洞，去尋找
適合人類居住的星球。

（圖4：《星際效應》漫遊者號的計畫就是從A到B）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1414943570-913927339_n.jpg

但圖2 有說，經過超大重力場，時間會變慢（甚至停滯），所以「永續號」的團
隊都有心理準備，甚至算出來他們在某星球上停駐一小時等於地球已經過了七年。
或許你可以問問自己這個有趣的問題：如果你是太空人，去了外太空經過強重力
場一年之後，回到地球、地球已經過了五十年，這樣，算不算是「回到未來」呢？

（圖5：有不知名人士，為地球人開了蟲洞）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1414943572-2558370911_n.jpg


二、超弦理論

接下來要簡單跟大家講一下《星際效應》只出現一下下，但卻是關鍵劇情中使用
到的超弦理論。

目前所知的物理中，所有的物質是由夸克和電子所組成（夸克組成中子跟質子，
質子中子組成原子核，原子核與電子組成大部分人認知的物質最小單位：原子）
，而包含夸克與電子的多種基本粒子之間存在各式各樣的「力」，讓這些粒子得
以組成物質，並相互作用，這些力被分類成四大作用力：重力、電磁力、弱力及
強力。但到這邊遺憾的有二：一是相對論只能解釋重力卻無法符合屬於量子力學
的其他三力；二是這些力量如何產生？是否擁有共同的根基。

於是超弦理論被科學家提出，簡單講就是在高次元世界中，弦的運動控制著三度
空間中的基本粒子，任何物質（不論是沙塵還是一根秒針）都是由弦的不同振動
模式所產生。自然界所有物質與能量的相互作用，都可以用弦的運動來解釋。每
一個基本粒子內部，都有一根細細的線在振動，就像小提琴琴弦的振動一樣。撥
動一根弦，就能聽到一個音；撥動另一根弦，就會聽到另一個不同的音調。在數
學上，要滿足抄弦理論必須要到11維度（10維度+1維空間）。因此，在三次元的
我們當然看不見這些弦！這些弦，只有處於高次元的「他們」（久遠未來的人、
過去的人、外星人、或是神）才能看見、能撥動。

（圖6超弦理論示意圖）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1415679027-2636341158_n.jpg?v=1415679028


（以下有雷）

三、星際效應的五次元時空（科學想像）

接下來我們要講的，是比弦更玄的事，雀雀在此稱呼其為諾蘭五次元時空。

前面談弦理論時，我們談到在高次元的「他們」（久遠未來的人、過去的人、外
星人、或是神，更可能是導演諾蘭）可以撥動弦來控制三度空間的物質，而「他
們」所處的位置是我們無法理解也無法看到，就像是麻瓜眼中的九月三分之四月
台，存在於三度空間中的空的。而在片中，男主角庫伯（馬修麥康納飾演），就
落入了在高維度的「他們」替庫伯打造的，一個在三度空間呈現的多維空間（電
影的台詞是五維）概念。

那「他們」或諾蘭如何在螢幕上打造五次元時空呢？我們必須從三次元開始說：

（圖7）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1414943572-690604192.jpg

圖7左邊代表的是我們的三維世界，圖6右邊則是把第四維度（時間軸）加進去，
也就是把過去、現在、未來的三維時空串在一起。

而諾蘭的五次元時空，因為是在高維度來看待四維度的時空，於是空間與時間就
成了手上的積木，可以把時間可以將時空任意擺放、連接，如此一來，所有過去、
現在、未來的三維空間不但被串在一起，甚至可以全部推疊在一起，你在五次元
可以自由處在任何一個「過去、現在、未來」，也就是說：每一個時空，對五次
元世界的你而言，都是「現在」。但因為是身處在高維度，所以不見得會被三維
度的人所看見，也不見得能與三維度的人溝通。

（圖8：每一個一～四次元時空中的「過去、現在、未來」，
都是五次元世界裡面的「現在」）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1415470766-2754245642.jpg?v=1415470769

（圖9：把圖8無限延伸就變成這樣）
http://pic.pimg.tw/cheercut/1415470766-3886560693.jpg?v=1415470770


看見未來

《星際效應》裡，永續號太空梭出發前往蟲洞，在穿越蟲洞的那個摸門特，安海
瑟威所飾演的女博士布蘭德摸了太空艙壁一把（她稱作是「和蟲洞初次見面握手」），
手都被扭曲了，那時候，她彷彿看見男主角庫伯（馬修麥康納飾演）的未來一瞬
（就是庫伯和布蘭德在蟲洞會車了），這是合理的，因為我們可以將在蟲洞裡視
為五次元（高維度）狀態。

時空旅行的悖論

科學界、哲學界甚至科幻文學裡，一直對於時空旅行是否會改變歷史感到好奇，
因而產生了一些討論，延伸了兩個解決歷史矛盾的悖論，結論都是對於過去的事
情無論如何改變都是徒勞無功的。

祖父悖論
若時光旅行回到了過去，不小心殺死了年輕時的祖父，那麼自己也就不曾存在，
就不會有人回到過去殺祖父的問題。

命定悖論
若時光旅行回到了過去，不論你有多麼想殺死了年輕時的祖父，自然的力量就是
讓你無法達成。或是回到過去調查想要阻止房子起火，但是卻自己不小心引起了
火災。


所以，「現在」，永遠都是最重要的事。

知道了嗎？
好好地把握自己的「現在」吧！（這是什麼不科學的結論啊哈哈哈）



Ps：雀雀本人並非太空科學研究者，嘗試去理解電影之後撰以此文，
若有任何敘述處不夠精確敬請見諒，當然如果有錯的地方，歡迎高手指教。




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