關於星際效應黑洞知識大補帖時空旅行懶人 - 電影

By Victoria
at 2014-12-13T23:07

Table of Contents

寫了一些總整理
本魯非本科系板上神人眾多
要是理論有寫錯煩請糾正指教，謝謝
網誌好讀版：http://blog.ymow.net/post/105046032979

星際效應
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photo credit:http://www.interstellarmovie.net/downloads.php

先寫個心得先

我愛上Christopher Nolan的電影是從黑暗騎士開始
在那之前其實沒有太注意“導演”這件事情
後來的全面啟動實在是令我印信太深刻了
看完星際效應之後
除了奧斯卡等級的影帝影后精湛演技，再次跪拜Hans Zimmer的配樂...
我做了一兩週的功課
好久沒唸物理的非本科系有誤還請多指教
把網路上常見有疑點的地方直接做描述
1.關於黑洞
要了解黑洞必須先研究恆星一生的週期變化，恆星的合成必須透過核反應將較輕的元素燃燒成較重的元素，以太陽為例，就是將氫融合成氦的核融合。
如果一顆質量比太陽大三倍的大星球，核反應能量會在百萬年耗盡，恆星的內部崩塌成黑洞，並同時放出Ｘ光與紫外線等高能量噴流（星際效應為了讓人類進入黑洞，忽略了此電磁波）[1]，恆星的外層爆炸層超新星[2]。
如果從物理學觀點，1915年愛因斯坦透過黎曼曲率方程式（可量化各種曲面）[3]，花了十年的時間證明出物質決定時空的二階非線性曲率方程式，就是著名的愛因斯坦場方程式[4]

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看起來非常難解，但是隔年Schwarzschild先生解出來了！！！
還解開被愛因斯坦稱讚的終生成就，因為愛因斯坦本來不期待場方程式會被解開..[5]
根據Schwarzschild的說法，如果一個不自轉、不帶電的重力天體，其半徑小於一個特定值，天體將會發生劇烈收縮而坍塌，這個半徑就叫做史瓦兹半徑，亦即如果特定質量的物質被壓縮到該半徑值之內，將沒有任何已知類型的力（如簡併壓力）可以阻止該物質自身的重力將自己壓縮成一個奇異點。由方程式可知，r=2M的時候，此半徑為Schwarzschild半徑，分成四個等級
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在電影星際效應裡面，為了使黑洞對人類不會造成致命的威脅，並製造出像Miller星球那種人類可以去的地方，所以Kip Thorne 設計的Gargantua黑洞是supermassive black hole，超高速旋轉，質量是太陽的一億倍，距離地球一百億光年，意思是假設在浩瀚宇宙中有很多黑洞，可能在某個角落，有一個黑洞參數跟Kip教授設定參數接近，那麼，它就有可能適合人類居住！！

其他關於 “愛” “第五空間” “蟲洞” “重力透鏡” “重力波” “超立方體” “老Brand方程式要解什麼” 請參考下面圖1、圖2還有這裡[36]再搭配這裡[10]跟這裡[11]，直接看加州理工鄉民Albert與Kyle分享Kip Thorne的講解。

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圖1 credit:http://screenrant.com/interstellar-ending-spoilers-time-travel/3/

2.關於ice cloud(冰雲)
在第一個Mann星球的時候（感謝網友Shrugged指正），登陸艇逃離時撞到冰雲！？這篇文章[13]提到，電影中這個不合理現象，Miller重力是地球的130%，所以冰雲應該會掉下去，文章也提到的問題是光，三個星球都剛好是白天？應該不是太陽吧，不過這點我可以接受，只是沒交代而已。

3.關於時間膨脹
由上面愛因斯坦重力方程式可以知道

物質決定時空的曲率 ; 時空的曲率決定物質如何運動

搭配這張圖，看這篇教學[14]跟這篇[15]，所以為什麼Miller星球一小時是地球的七年？透過Schwarzschild半徑來從這邊推導可得證[29]。

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圖2 credit:http://i.imgur.com/hfoX7hf.jpg

4.關於重力彈弓
重力彈弓這篇有說明[23]，

5.關於太空站旋轉
太空站透過旋轉產生重力，但是為什麼需要旋轉產生重力？
因為人類沒重力會死掉。

6.關於無人飛機
我一開始看到Drone蠻興奮的，想知道導演會拿它來做什麼應用，但是後來好像沒什麼用，所以我困惑超久，一直沒看到有人講，不過Reddit說是為了呼應Murph去燒玉米田放手一搏的心境[30]，另一方面也有文章[31]指出是因為印度與巴基斯坦的戰火...外電指出印度正在研發無人飛機。

7.關於曼恩博士
曼恩博士的背叛似乎是想呼應Amelia的Evil論點，但是Coolcate在PTT這篇跟這篇充分的解釋曼恩博士為了人類永續生存而存在的使命與意義[33][34]！

8.關於宗教
Kip教授對Nolan導演主要訴求有兩個
(1)不可違背已知的科學
(2)掉入黑洞的不要有任何宗教暗示的東西出現
根據這幾天的爬文，第一點已經做大非常大程度地符合，就連利用第五空間特性掉落蟲洞之後剛好是女兒房間根據Albert說Kipp也是經過稍微計算過的！！
那哪裡有宗教的影子呢？
就是任務的名字Lazarus missions!
這篇有詳細論述，但是裡面有些物理理論是錯的，上面我們討論過了

9.關於人工智慧
台大高教授推薦我們去看另一部太空電影，裡面名為SAL 3000的機器人有著與星際效應迥異的人工智慧，也有文章提到Nolan某種程度上可能也想用這件事情來表達人類的進步。有趣的是，星際效應的機器人Tars還開了Facebook帳號跟Instagram帳號！！而且超逼真...超high..

10.關於糧食危機
我進電影院才知道它要講糧食危機，第一個想到的是其他生物怎麼了，糧食危機嚴重到這種地步時，專家可能會先考慮飼料轉換率更高的昆蟲[35]，雖然我覺得討論這點對電影來說有點太嚴苛了，但是怎麼說也是電影主軸，也是我們必須思考的問題

11.關於惡搞
如果覺得有趣笑笑就好，[16]與[17]

12.關於台詞
(1)有科學老爸真好
Murph: You said that science was about admitting what we dont know. Donald: She's got you there. ....
Cooper: Ok Murph, you wanna talk science. Dont just tell me you're scared of some ghost. Record the facts, analyze - get to the how and the why and present your conclusions. Deal?
你說科學就是承認我們不知道的事情！
她抓到你了
OK~墨菲，你想要談論科學，別只跟我說你怕鬼，記錄下事實並且分析它，理解他怎麼發生與為什麼會發生，然後再發表你的結論，ＯＫ？

(2)再來是Murphy's 墨菲定律
Cooper: Murphy's Law doesn't mean something bad will happen what it means 'whatever can happen will happen.' And that sounded just fine to us.
墨菲定律並非代表壞事一定會發生，而是會發生的事情就會發生。你媽和我覺得這挺不錯的

(3)冒險
Cooper: What? ‘Cause heading out there is what I feel born to do? And it excites me? Nuh, that doesn't make it wrong.
什麼意思？因為我認為我生來就是要出去冒險的嗎？而且這件事讓我很興奮？不，這些並不代表這件事就是錯的。

(4)一小時七天
Romilly: Well, every hour we spend on that planet will be, huh, seven years back on Earth.
這個嘛，在那星球上的每一小時，嗯，相對於地球來說會是七年。

(5)Love is
Love isn't something we invented. It's observable, powerful, it has to mean something... Love is the one thing we are capable of perceiving that transcends dimensions of time and space.
「愛」，不是人類所發明的時候，「愛」是可感測的、有力的。一定有其代表的意義...「愛」是我們唯一可跨越時間與空間而感知的事物

13.關於書本
目前，《星際效應》官方書籍有四本，有興趣的人可以去購買來看。
《星際效應中的科學》- The Science of Interstellar
《星際效應電影美術書》- Interstellar: Beyond Time and Space
《星際效應官方小說》- Interstellar: The Official Movie Novelization
《星際效應劇本》- Interstellar: The Complete Screenplay With Selected Storyboards

14.關於網站與app
http://www.interstellarmovie.net
網站有用webGL與Unity做有趣的太空梭起飛跟探勘遊戲
也有出Android App，評價還不錯
還可以做自己的徽章
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15.關於研究
高教授今天提出了人類花了極大資源研究兩個東西
如果Cooper能夠透過重力波傳達訊息給女兒
只要人類能夠掌控重力波，就可以證實愛因斯坦相對論的預測
另一個是希格斯粒子（Higgs），大型强子對撞機(LHC)來探索之，如果有辦法發現該粒子的生成方式，便可以打破質量影響速度的既有物理法則，改以光速在宇宙運行。另外也剛好找到新的太空技術資料，馮紐曼探測器（von Neumann probe）。

16.關於感想
因為愛，所以哭了好幾回
不過Nolan既然請到全世界近代物理的相對論的權威Kip教授，請不要自己查都沒有查就說電影在豪小，否定別人數十年甚至百年的研究，查了之後，可能會發現相對於這個宇宙的自己，感覺到自己的渺小、無知與愚蠢，可是沒關係，把每一天當作最後一天在過，想著現在如果我在Miller星球潛水...那就是7 years per hour here...，為自己所愛的人更努力，希望明天，我們都能成為更好的人。

17.關於參考資料
[1]http://blog.udn.com/mhwu1/5328822
[2]http://aeea.nmns.edu.tw/2001/0105/ap010516.html
[3]http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&quickforward=1&id=827056
[4]http://pixgood.com/einstein-equations.html
[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Schwarzschild
[6]http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=20477
[7]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B2%E7%93%A6%E8%A5%BF%E5%8D%8A%E5%BE%91
[8]http://www.space.com/27692-science-of-interstellar-infographic.html
[9]http://screenrant.com/interstellar-ending-spoilers-time-travel/3/
[10]https://www.ptt.cc/bbs/movie/M.1417568513.A.A83.html
[11]https://www.ptt.cc/bbs/movie/M.1417507545.A.36A.html
[12]http://www.wired.com/2014/10/astrophysics-interstellar-black-hole/
[13]http://www.motherjones.com/media/2014/11/interstellar-movie-science-david-grinspoon-inquiring-minds
[14]http://case.ntu.edu.tw/courses/physics04-20-01.pdf
[15]https://www.ptt.cc/bbs/movie/M.1417869841.A.600.html
[16]https://www.youtube.com/watch?v=-TkSkptsyuY&app=desktop