科学探索星际穿越时间旅行的科学话题

骑UFO看外星人

现在，我们来简单描述一下数年来提出的有关星际旅行的观点，这些观点都基于现有的科学理论：

20世纪五六十年代的猎户座计划，利用核爆炸实现具有建设性意义的目标；

20世纪60年代，巴萨德星际冲压发动机；

20世纪70年代，英国星际协会的代达罗斯工程；

20世纪80年代，罗伯特·弗沃德星际激光帆；

宾夕法尼亚州立大学的反物质计划。

猎户座计划

20世纪五六十年代，猎户座计划首先提出利用核爆炸实现一个建设性目标——太空旅行。

飞行器以核爆炸产生的动力推动前行。飞行器的底座由一个巨大的带有减震器的震盘构成。利用常规爆炸物进行的实验已证明该方案的可行性。这种飞行器的设想是将机组人员送往火星，但也可用于运送较小的恒星探测器。20世纪60年代，该计划由于《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》的签署而终止。巴萨德星际冲压发动机

既然不能携带燃料，可以考虑在飞行途中获得燃料。巴萨德星际冲压发动机概念产生于20世纪60年代，这个概念依赖于收集飘浮在星际空间的游离质子，然后以某种方式将它们融合制造核火箭。这个概念有各种各样的局限性，例如，能够收集多少质子、收集行为产生的拉力等，而且还涉及利用质子实现火箭核聚变的技术。代达罗斯工程

20世纪70年代后期，英国星际协会开始重新探究猎户座计划的概念，但更加理性化，将目标定在内太空。代达罗斯工程的目标是：研制经过巴纳德恒星（巴纳德恒星距离我们大约6光年）的50年旅程的探测器。该项目计划通过微融爆炸来获取动力，而获得燃料的途径是——冲出太阳系时从木星上获得合适的同位素燃料。然而，这种方式实现起来相当棘手。

罗伯特·弗沃德星际激光帆

光帆是另一种可能性。既然不能使用火箭，为什么不利用光能？当光接触物体时，它只有极其微弱的推力，但是在巨大面上得到大量的光所产生的力却不容忽视。这就是该设想的基本观点所在。罗伯特·弗沃德提议，将1000万兆瓦特的激光通过菲涅耳透镜照射到长1000千米的光帆上。这些数据显示，再过10年，人们可以将重达1000吨的载人飞行器运送到最近的星球。

此设想最大的阻碍是什么？是1000万兆瓦特的激光，其能量水平是现在全球所使用的总光能的10000倍。

因此，弗沃德在光能强度的选择上更加合理地修改了这一设想。现在，只需10兆微波激光（这本身就是绝活），便能延伸1000米的轻质电线。光帆上的各种传感器和材料直接组装到一排排的电线中。

这类设想都还在研究中，只有人类科技取得重大进展，才能实现这样的系统，才能促成更加强大的航天计划。

星际穿越离我们有多远

近来，科幻电影《星际穿越》热映，其走红指数堪称现象级，无论理科男还是文艺女，见面或是网络社交言必称“虫洞”、“五维空间”。《星际穿越》名利双收，除了名导名演和炫目特技外，影片借助宇宙航天这些高大上的概念，击中了观众猎奇的欲望。

　　虽然包括著名天体物理学家斯蒂芬·霍金在内的数位学者都对《星际穿越》点赞，但观众还是从这部“烧脑”大片中找到不少吐槽点。《星际穿越》所描绘的宇宙画面、地球末日危机以及人类探索星空的能力，有多少符合科学与现实。人类要做到星际穿越，还有多遥远？

　　《星际穿越》槽点频频

　　17日，媒体人孙莹坐了十几小时飞机回国后，第一件事就是去电影院看《星际穿越》。

　　孙莹说，“朋友圈已经被《星际穿越》刷屏了。”现在只有两种人：看过《星际穿越》和没有看过《星际穿越》的。“这下终于不怕被剧透了。”

　　在以“文艺”著称的豆瓣影评主页，“最受欢迎的影评”中，几乎完全被《星际穿越》占据，教文艺青年如何在不懂物理学的前提下看懂这部电影；在主打科技的果壳网上，虫洞、黑洞、时空穿梭……《星际穿越》的每一主题下吸引了大量讨论。

　　对于《星际穿越》，不同的群体有着不同的关注点和解读：科幻迷们关注《星际穿越》的理论是否站得住脚，电影里面有哪些科学错误？穿过黑洞是如何生存的？文艺青年看完则会会心一笑：原来宇宙的终极答案，是爱啊！

　　中国科幻作家们也加入了讨论阵营：《三体》作者刘慈欣地处偏僻的山西娘子关，“一路跋涉走进了电影院。”看完之后他觉得，《星际穿越》是部比较好的科幻片，不过也没有人们推崇得那么高。但他也直言，有些地方“没看懂”。另一位科幻作家韩松第一时间发了“观后感”，他从中看到了国外的创造力和建构力，这令他感到“自卑”。

　　如果你以为这种讨论热潮仅是中国独有，那就大错特错了。事实上，在国外，《星际穿越》所引发的讨论热度，比国内有过之无不及。

　　在美国，隶属于全世界最大博物馆体系史密森尼学会的《史密森尼》杂志就发问：《星际穿越》里的宇航员，能活着穿过虫洞吗？最前沿的科技网站“连线”也向观众科普：物理学中的黑洞到底是什么样子的？

　　“无论是在电影圈、还是评论圈，抑或是观众群里，《星际穿越》都吸引了非常多的讨论。”影评人木易在接受新京报记者采访时说，《星际穿越》形成了一种现象。电影放映后，随着各种口碑相传，各类“史上最牛”、“烧脑”、“震撼”、“长跪不起”等标签，吊足了观众的胃口。

　　沙尘遮天切中当下现实

　　《星际穿越》中，男主角库珀为了拯救地球而冲进了黑洞“卡冈图雅”。在现实中，它则是成功击中了观众的层层“黑洞”：从科幻到情感，到当下的现实。

　　木易认为，《星际穿越》能够引发如此多的讨论，和电影的类型有密切的关系。“《星际穿越》是一部偏向于硬科幻的科幻电影，与其他类似于《星际迷航》、《银河护卫队》、《超体》等不同的是，该片是基于一定已有的科学理论进行影像描述和讲故事的电影，影片的科幻理论都站得住脚，是有现成科学理论作为支撑的。”

　　科幻迷从中看到科幻，普通观众则从中看到情感。“《星际穿越》既有为科幻迷所推崇的奇绝想象，也有打动普通观众的饱满情感。”《科幻世界》主编姚海军对新京报记者表示，即便对于虫洞、黑洞、五维空间等“酷炫”的科学理论不甚了解，电影中的那些情感依然让我们感动。

　　而《星际穿越》的成功不仅仅如此。作为科幻作品，它建立了和现实的紧密联系，其关于地球末日场景的呈现，成功击中了我们对于环境恶化的焦虑。科幻作品中总不乏对地球末日的想象，但是相比外星人入侵等理由，生态灾难导致地球末日，似乎更加令人心有戚戚。

　　尽管《星际穿越》并没有将地球毁灭归因于气候问题或者全球变暖，但是日益严峻的地球生态环境，让人们不自觉地将之与电影联系起来。影片中那漫天沙尘的景象，也会令不少观众感到“熟悉”。

　　就在本月，联合国发布了全球变暖报告，警告各国政府已经没有多少时间可以浪费。“联合国上周末发布的全球变暖报告，简直就是为《星际穿越》打的广告。”《华尔街日报》评论说。《纽约时报》则称，“诺兰将人们对气候变化的焦虑，转变成了一场外太空的冒险。”

　　“科幻作品虽然可以讲述无数光年之外的事情，但它绝不是无根浮萍。”姚海军说，“好的科幻作品，都和现实有紧密的联系，是对现实的关照。比如在《星际穿越》里面，我们看到地球的毁灭起于生态灾难、环境的恶化等，对于观众而言就有了一定的投射根基，更加容易建立起联系。”

　　数千计算机“造”黑洞

　　电影中，库珀通过黑洞“卡冈图雅”进入五维空间，最终拯救了地球。

　　《星际穿越》中那么多酷炫的事物之中，只有黑洞是已经被科学家证实为存在的。自从黑洞理论提出之后，它就成为了科幻作品中最受青睐的素材之一。不过，在《星际穿越》之前，任何好莱坞影片都未准确呈现过黑洞。

　　“卡冈图雅”在地球100亿光年外，四周充斥着耀眼夺目的光晕，周围的光线和物质因为巨大的引力发生扭曲。在静默黑暗的太空之中，这样的景色十分炫目。电影中这一转瞬即逝的黑洞场景，却是30个人、数千台计算机一年的工作成果，它也被誉为有史以来最精准的黑洞模型。

　　黑洞到底什么样子，却没有人见过。利用黑洞吸引眼球的电影不计其数，但少有人像诺兰一样较真，他请了和霍金齐名的理论物理学家基普·索恩坐镇，保证电影中呈现出来的特效尽可能贴近事实。索恩写了满满的方程，特效人员根据这些公式去构建黑洞模型，并模拟黑洞附近时空被扭曲的样子。

　　在此之前，电影从业者常常会使用一种叫做光线追踪技术的手段来渲染光和反射效果。在制作黑洞的过程中，这一工具已经无法使用，因为黑洞遵循的完全是另一套物理定律。按照索恩的方程，影片的特效团队重新编写了一套渲染效果器，一点点地渲染出来了黑洞。

　　这个黑洞，包括它边上的吸积盘，都非常复杂，有些单帧的渲染就需要100个小时。据《星际穿越》特效团队透露，因为计算复杂，影片的数据量变得非常惊人。最终，《星际穿越》的特效制作产生了800TB数据。

　　当特效人员给索恩看他们模拟出来的黑洞时，索恩意识到：“黑洞就应该是这个样子的。”由此，《星际穿越》成为影史迄今在物理上最准确描述黑洞的影片。

　　打开认知宇宙窗口

　　现代物理学中的黑洞，是建立在广义相对论的基础上的。黑洞并非一个洞，而是球状的，由质量足够大的恒星发生引力坍缩后形成。目前，天文学家已经鉴别了很多很可能是黑洞的天体。

　　不过，尽管影片呈现了有史以来最准确的黑洞面貌，但是它仍是一部科幻片。中科院量子学专家周正威教授告诉新京报记者，“通过黑洞进入五维空间纯属幻想，虫洞也只是从来没有证实过的科学假说。”

　　“片中黑洞的呈现相当合理，”伦敦帝国学院的特罗塔说，只是，人不大可能活着出来，“如果你进入了那个区域只有两种结果，要么被灼热的伽马辐射杀死，要么被引力撕碎：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。”

　　不过科幻作品，“重要的不是多么准确，”姚海军说，“其重要的价值，是让我们对这个宇宙或者我们所处的世界那神秘的一部分，产生好奇心，让我们去关注一下宇宙星空，关注人类作为一个物种的未来，让我们进入一个更高的维度来俯瞰人类。”

　　释疑 【冷冻休眠】 理论可行还无法唤醒

　　在电影《星际穿越》中，漫长的太空旅程途中，宇航员可以进入休眠水床休眠，并自行设定唤醒时间。

　　利用低温休眠打发时间并不是《星际穿越》的独创，在《异形》《深空失忆》《三体》等作品中，都出现了这一技术。《三体》中，休眠后来成为未来人类最普遍的一项技术。

　　技术上的人类低温休眠，是指在极短的时间内，将人类冷冻到零下196摄氏度，让细胞停止活动，无限延长人类的生命周期。从理论上来讲，低温休眠可以做到。但是目前从技术上来看，人类还不能做到冷冻休眠并将其唤醒。主要问题是当人体温度降到零下5摄氏度时，细胞内的水分就会冻结并形成冰晶。这些冰晶会穿透细胞膜，导致严重的组织损伤。

　　不过未来这项技术可能会成为现实。现在世界上已经有数家机构提供人体冷冻技术，主要是为身患绝症之人提供服务，以待未来攻克难题之后再将其解冻。

　　释疑 【时间膨胀】 接近光速才能实现

　　中国古代神话中经常出现“天上一日、地上一年”的情节。《星际穿越》中，宇航员库珀和女科学家布兰德降落在米勒的星球上，星球上的1小时相当于地球上的7年。

　　从理论上来讲，时间变慢并非不可能。根据相对论，当人以接近光速的速度移动时，时间便会变慢。“这种现象已经得到验证。”英国皇家天文学学会主席马丁·巴斯托说，“例如，登上月球的宇航员移动速度超过地球上的人，他们的衰老速度略慢于地球上的人，但还没有达到显而易见的程度。”

　　中山大学天文与空间科学研究院院长李淼认为，《星际穿越》里时间变慢是靠谱的。巨大的质量密度能够导致空间弯曲，也能导致时间弯曲。在黑洞附近，时间弯曲的表现就是时间流动变慢。

　　如果移动的速度接近光速，时间变慢便成为可能。只不过，在目前的技术下，让速度接近光速仍然很难实现。

　　释疑 【虫洞穿越】 科学假说尚未被证实

　　遥远的星球距离我们可能有数亿、甚至数百亿光年，怎样才能实现超距离的星际旅行呢？

　　“虫洞”是科学家们提出的设想，又名爱因斯坦-罗森桥，从名字上可以看出它最关键的一点就是连接的作用。

　　许多人喜欢用虫蛀苹果的例子来解释虫洞，即如果一只虫子要从苹果的一边爬到另一边去，如果在苹果中间咬出一条通道，那肯定要比绕过半个苹果距离更短。不过虫洞在设想中，并不是一条地洞，而是一个球体，《星际穿越》中也是这样呈现虫洞的。

　　虫洞在科幻作品中已经屡见不鲜。在《变形金刚3》中，威震天就试图利用虫洞把赛博坦星球的霸天虎机器人运送到曼哈顿；在《环太平洋》中，外星巨兽也是通过太平洋底的虫洞来到地球；《来自星星的你》中，都教授也是通过虫洞，最后维系了“异地恋”。

　　在现实中，物理学家在20世纪早期就提出了虫洞理论。不过虫洞至今没有被观测到，也没有证据证明其存在，虫洞只是没有被证实过的科学假说。

《星际穿越》中的科学与幻想

好莱坞著名导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）执导的科幻电影《星际穿越》，在全世界上映后迅速成为一部“现象级”电影，引发了人们探讨科幻电影，乃至理论物理学的热潮。美国加州理工学院的天体物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说，《星际穿越》上映后，就连在扑克牌桌旁边玩牌的陌生人都会过去找他询问有关虫洞和相对论的问题。观众们对于其中涉及的有关物理学的疑问显然远远超过了对电影自身剧情的关注，这并不奇怪，因为这可能算得上是世界上第一部基本忠实地展现宇宙中各种奇妙的天体现象的电影，想要理解这部电影需要大量的物理学知识。

与好莱坞经常塑造出各种各样的超级英雄不同，在《星际穿越》中，最后是几位理论物理学家拯救了全人类。其实，电影中运用的主要的情节与场景，例如地球上发生无法挽救的灾难必须移民外星，驾驶飞船穿越虫洞、进入黑洞、探索地外行星，以及在极端情况下人性的改变……这些桥段在之前的很多科幻电影中早都被运用过多次，电影中很多带有诺兰导演个人色彩的故作深沉的台词更是显得做作。那么，究竟是什么因素使得《星际穿越》成为一部让所有人都开始讨论理论物理的电影呢？这就必须提到为这部电影设置物理学背景，并使电影中几乎所有场景都有物理学的支持，情节合乎科学原理的人——加州理工学院的著名天体物理学家基普·索恩（Kip Thorne）。

科幻作品中常有“软科幻”和“硬科幻”之分，“软科幻”通常涉及的科学理论比较少，只是需要设置一个幻想的场景即可，而“硬科幻”则更需要有实在的科学理论作为支撑，并且让科学理论在故事情节发展过程中起到重要作用。从这个角度说，《星际穿越》因为有了来自各个领域专家的支持，硬到不能再硬。加州理工学院的理论物理学家约翰·普雷斯基（John Preskill）就回忆了在2006年，索恩为了设置电影中的科学场景，在加州理工学院召集过一个会议，其中包括了物理学家、太空生物学家、行星学家和心理学家。正因为有如此多的科学家的参与，才让《星际穿越》在物理学的约束之下不仅视觉效果惊人，描述宇宙中各种极端罕见的场景最为准确。

“黑洞”、“虫洞”等物理学名词早已被大众所熟知，并且进入了流行文化，《星际穿越》利用电影手法，希望尽量真实地展现这些场景。因此，电影中既包含了切实的科学发现，成熟的科学理论，也有基于目前理论所做的合理猜想，有距离目前人类物理学知识很大距离的推测，更有为了电影的视觉和叙事效果而做的“不科学”的妥协，要在电影中辨清这些，并不容易。《星球大战》、《阿凡达》等科幻电影，即使抽取出其中的科幻内容，仍然可以形成独立的、完整的故事，与此不同的是，导演诺兰希望《星际穿越》的故事可以自然地从科学理论中浮现出来，这使《星际穿越》完全无法与宇宙学理论和各种天体分隔开。为此，索恩还特地写了一本书《<；星际穿越>；中的科学》（The Science of Interstellar）讲述电影中的各种场景，以及其中涉及的科学原理。

引力波观测

索恩讲述，他曾经计划邀请斯蒂芬·霍金参演电影，并且设计了电影剧情的前传，布兰德（Professor Brand）教授是如何在太阳系内的土星附近发现了一个虫洞。这个前传实际上架起了现实与科学幻想之间的桥梁。故事发生在2019年，当时还只有20多岁的布兰德在美国激光干涉引力波天文台（LIGO）工作，这是一个真实存在的机构，由来自17个国家的900多名科学家组成，总部正是设在加州理工学院，而索恩也正是LIGO的创始人之一。布兰德在LIGO的工作是探测宇宙中传播到地球的引力波。根据爱因斯坦的广义相对论的描述，引力波是一种时空的褶皱，它自身具有能量，通过时空传播。在理论上一些激烈的宇宙学现象，比如黑洞相撞、一个巨大的天体被黑洞吞噬等等，都会释放出剧烈的引力波，并且有可能传播到地球上。LIGO设置在美国华盛顿州和路易斯安那州的两个天文台，正是为了探测这种时空的褶皱，而在法国、荷兰、意大利等国也都有类似装置，日本也正在建造引力波探测装置，人类正在形成一个引力波探测网络，故事也就由此而起。

尽管人类目前在地球上还没有探测到任何引力波存在的痕迹（2014年初，一组科学家宣布他们在南极探测到的宇宙微波背景辐射过程中发现了其中原初引力波的痕迹，证实了宇宙暴涨理论，这引起了全世界的关注，但是这个发现随后被认为是受到了噪声的干扰，并不能成立），但是在宇宙学观测中，宇宙学家们已经发现了证明引力波存在的有力证据。索恩相信，在未来10年内人们就有可能在地球上探测到引力波，人类在并不遥远的未来就可以利用引力波来精确探测宇宙中的天体，这也正是电影故事发生的基础。唯有如此，布兰德教授才能在2019年发现太阳系内蹊跷地出现了一个虫洞。

年轻的布兰德在2019年通过LIGO观测到了一场只持续了几秒钟的引力波大爆发，他开始调查发生引力波大爆发的位置。结果他惊奇地发现，这场激烈的爆发竟然是发生在太阳系的内部，土星附近。这显然让他无法理解——这个程度的引力波大爆发只会发生在巨大且致密的天体之间，但是如果在太阳系内部真的出现了这种天体，比如说一个巨大的黑洞，那么整个太阳系内所有行星的轨道就会被黑洞巨大的引力所打乱，土星，以及太阳系所有的行星，甚至包括太阳在内的整个太阳系，也应该早就被摧毁，为什么布兰德还能够安全观测到这场引力波大爆发，却没有观测到太阳系内有任何的异常现象？最终布兰德发现，这个悖论只存在一个解释，就是在土星附近出现的是一个稳定的虫洞，这个虫洞连接了宇宙中遥远空间的两端，它的两个开口一个在太阳系内的土星附近，另外一端则在一个超大型黑洞附近，也就是电影中描述的卡冈图雅（Gargantua）黑洞，他所观测到的引力波爆发，实际上是来自虫洞另外一端的黑洞正在吞噬一颗中子星，这并未影响到太阳系的安全，但在这个过程中发出的引力波则有一部分通过虫洞传播到太阳系，进而被布兰德发现。

虫洞

虫洞已经成为一切星际穿越题材的电影中最必不可少的装置，这不仅是因为在理论上虫洞自身奇异的特性，也是由浩瀚的宇宙自身所决定的。人类目前的活动范围仍然被限制在太阳系以内，一方面是受到自身科学技术水平的限制，另外也要受到狭义相对论的限制。爱因斯坦的狭义相对论规定，光速是宇宙中最快的速度（大约为每秒钟30万公里），人类驾驶宇宙飞船，无论使用何种动力手段（包括核动力），都很难接近光速。太阳只是银河系中的一颗中等恒星，而人类所居住的太阳系本身是太阳的1000倍，光穿过整个太阳系都需要11个小时，而即使是以光速到达距离太阳最近的恒星，比邻星（Proxima Centauri）也需要4.22年，以人类目前的科技水平，甚至是在可预见的未来，都绝无可能到达（在电影中，库珀利用火箭从地球出发，到达土星都花费了两年时间）。太阳和比邻星，不过是银河系中的沧海一粟而已，银河系也只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。那么人类想要进行星际旅行，唯一的可能就是借助虫洞进行穿越。

索恩与虫洞的渊源颇深。实际上“虫洞”这个名字就来自于索恩的博士生导师、著名的理论物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）。惠勒受到穿透了苹果表面的虫洞启发，给这种仅存于理论中的现象命名。而早在此之前，理论物理学家们就已经意识到了虫洞存在的可能性，这也源于爱因斯坦。爱因斯坦在1915年发表了描述宇宙中质量（能量）、引力以及时空之间如何相互影响的广义相对论，随后很快有人得到了广义相对论方程的一个解，这代表了一种可能性：存在着一种连接宇宙中两个遥远时空的“桥”，这种可能性在十几年之后又被爱因斯坦和他的助手罗森发现，因此这种理论中的宇宙桥被命名为“爱因斯坦-罗森桥”（Einstein-Rosen Bridge），也就是俗称的虫洞。

虫洞仅能够存在于理论中，原因就在于索恩证明，它即使存在，也会极不稳定，这种奇异的天体诞生—膨胀—收缩—死亡的速度极快，更有可能是在微观尺度下的量子泡沫中随机的产生和消失，远小于原子尺度，因此完全不可能让人类进行宇宙间的穿越旅行。而且，要形成一个在理论上稳定的虫洞，需要大量有负能量的“奇异物质”，这在理论上也无法做到。

即使是在理论上可以实现，在宇宙中也很难“自然”形成一个稳定的虫洞，原因就在于人类目前观测不到任何有可能形成虫洞的天体。《星际穿越》中出现的其他天体，比如恒星、行星、黑洞、中子星等，人们都早已通过天文学观测得到了证实，但是人类在宇宙中找不到任何天体存在着任何可能演变为虫洞，而宇宙大爆炸过程中“自然”产生出虫洞的机会也是微乎其微。

虫洞的电脑概念图。虫洞上面连接地球，下面连接离地球最近（4.3 光年）的半人马座阿尔法星

尽管如此，要实现星际穿越、探索宇宙中各种奇异的天体、挽救地球，一个可以穿越折叠空间的虫洞仍然必不可少，否则人类连冲出太阳系都不大可能。索恩假设可以出现稳定的虫洞供人类进行宇宙穿越，同时这个巨大的虫洞就被放置在太阳系内，这如同在一个失火的房子窗口恰好出现了一个安全梯，如此体贴，不可能是一个巧合。那么，在电影中解释，只可能是一种更为高级的生命把虫洞放在那里，专门为了解救人类。索恩通过计算，设置了土星附近虫洞的大小：直径大约是1公里，长度则只有几十米，飞船穿越，应该是一晃而过。但是诺兰为了电影效果，还是将拍摄成虫洞漫长且内部充满了奇异的闪光，犹如是驾车驶过一个黑暗的隧道，这其实也是很多人对于穿越虫洞场景的想象。

《星际穿越》中的黑洞形象被称为有史以来对黑洞面貌描述最准确的模型。这个模型是 30 个人、数千台计算机工作一年的成果黑洞

黑洞才是《星际穿越》整部电影中真正的主角，那个巨大的卡冈图雅黑洞是这部电影的主心骨。不仅是导演，索恩为了设计这个巨大的黑洞也是倾尽心血，使它注定会成为电影史上一个令人难以忘记的鲜明角色。正因为卡冈图雅黑洞的外观和行为在极大程度上符合当今的物理学理论，也正是由于黑洞的种种特性推动了情节发展，才使它如此鲜明，令人难忘。

黑洞同样也是广义相对论的产物。广义相对论描述了物质与时空之间相互作用的关系，真正开启了人类的宇宙学探索。索恩的导师惠勒曾经说，“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。这句话就是对于广义相对论极佳的概括。物质（或是能量）可以使时空扭曲，而当物质的密度极大时，时空的扭曲到达极限，就会形成黑洞。从这个角度说，黑洞就是由卷曲的时空组成。在黑洞的视界范围内，任何物质，包括光线都无法逃脱，因此注定只能是一片黑暗，但在黑洞的视界周围，因为环绕黑洞的吸积盘的存在，又有可能发出光亮。在黑洞的中心，存在着一个时空卷曲到极致的点，称为“奇点”，在奇点处任何物理学定律都将失效。

黑洞听起来可怖且危险，实际上它是广义相对论自然而然的产物，尽管黑洞会吞没一切信号，人类不可能得到关于黑洞的直接观测证据，但已经有各种各样充分的间接证据证明，黑洞确实广泛地存在。在大多数星系的中央，包括银河系内，都坐落着一个巨型黑洞。银河系中央的巨型黑洞Sagittarius A*的质量大约是太阳质量的410万倍（也就是说它的引力是太阳的410万倍），维系着整个星系。不仅如此，在银河系内还存在着大约1亿个小黑洞，这些小黑洞大多都是由质量在3～30个太阳质量之间的恒星在燃烧尽自身燃料后发生内爆，随后又发生塌缩形成的。这种黑洞的质量一般也是在3～30个太阳质量之间。而银河系中还有大约1亿颗恒星将在死亡之后发生内爆，进而塌缩成为黑洞。

因为恒星死亡而形成的黑洞，质量一般都不会太大，一般在100个太阳质量以内，而电影中索恩设置的超重黑洞卡冈图雅，质量远超银河系中心的黑洞Sagittarius A*，达到1亿个太阳质量，并且在进行着剧烈的自旋，这一切都是为了电影情节的发展而做出的合乎物理学理论的假设。这种超重黑洞不可能因为恒星死亡塌缩而形成，它们形成的原因人类目前还不清楚，有可能是由巨型的气体聚合形成，也有可能是黑洞相互融合形成。如同卡冈图雅这样的巨大的黑洞，虽然在宇宙中罕见，但也并非是绝无仅有。目前人类发现的最重的黑洞名为NGC1277，它的质量相当于太阳质量的170亿倍，距离地球2.7亿光年远，这个距离大约是目前可观测宇宙的距离的1/10。好在起码人类不用担心自己葬身于黑洞中，太阳系中并没有这样沉默的巨兽，最近的黑洞也距离地球300光年，不会威胁到太阳系。

约翰·惠勒对于黑洞也有过一个精妙的描述：“黑洞无毛”，也就是说，黑洞彼此之间并无巨大的区别，没有特性而言。只要知道了关于黑洞的两个参数：它的质量以及自旋速度，人们就可以通过理论而推断出有关这个黑洞大小、引力、引力透镜等一切特征。而对于卡冈图雅来说，索恩需要精心地设计这两个数字就行。

过于接近一个黑洞时，除了会被它吞没，还有另一个特性就是时间的流逝会变慢，这是由黑洞强大的引力场扭曲了时间维度造成的奇妙现象之一。爱因斯坦的相对论使人类摆脱了牛顿力学中的绝对时间（宇宙中到处都放着一块显示统一时间的手表）和绝对空间（宇宙中放着一把刻度精准、永远不变的尺子）的概念，“同时性”的概念变得极为精妙，时间的流逝成了相对性概念，其快慢与一个人所运行的速度和他身处的引力场强度有关。实际上，在地球上，因为地球的引力场作用，同样会出现时间膨胀的效应，随着海拔不同，时间流逝的速度也是不一样的，GPS定位系统就必须通过广义相对论对此进行修订。只不过因为地球的引力场相比于黑洞太微弱，普通人完全感受不到这样的差别。在黑洞附近，引力场极强的条件下，时间的流逝显著减缓，这样才能达到诺兰导演所需要的在米勒行星上停留一小时，地球上已经过了7年的“沧海桑田”的电影效果。

除了黑洞造成的时间膨胀的效应外，还必须要考虑其他更为现实的因素。在一个静止的黑洞附近，如果想达到时间膨胀了6万倍这样显著的效应，根据计算，米勒行星必须贴着黑洞的视界运转。在这种危险的区域运行，且不说米勒行星很可能会被黑洞的吸积盘所摧毁，它还会感受到巨大的潮汐力。因为距离黑洞太近，所以行星的近远两端感受到的黑洞引力完全不同，这相当于对行星进行了巨大的拉扯。在一个巨型黑洞的视界附近，这种力量会轻而易举摧毁一个行星，使行星表面的水分因为摩擦而变热蒸发，行星自身也就成为灰尘。

巨大的潮汐力与强烈的时间膨胀现象形成了一对悖论，导演需要一个在黑洞附近能够稳定存在的行星，但又不会被潮汐力所摧毁。在这种情况下，索恩通过计算，发现只有让这个相当于1亿个太阳质量的黑洞进行快速自旋，利用引力锁定米勒行星，才可能同时满足这个条件，这其实也是索恩自己的研究成果。1975年。索恩在研究黑洞自转时就曾经发现，黑洞自转的速度并非可以无限加快，如果黑洞自转的速度过快，它的视界就将消失，黑洞内部的奇点就会裸露出来，这是自然界所不允许的。为了防止这种情况出现，索恩推算，黑洞的自转速度越是接近极限时，越是更难以吸收和它自转方向一致的物体（吸收与自己自转方向一致的物体会使自转加快），而更容易吸收与它自转方向相反的物体（这样会使自转减慢），这样黑洞的自转就被限制在一个极限范围之内。索恩发现，电影中所需要的卡冈图雅黑洞自转的速度，恰好在黑洞自转的极限范围之内，这样，米勒行星在理论上就可以稳定地存在，而且它表面上每一个小时一次的巨大水浪可能就是由有限的潮汐力，或是潮汐力造成的行星地震所引发的了。

泡泡星云“NGC 7635”光学图像。这个星星和炽热气体的组合看起来就像是飘浮在宇宙中的一个幻影，位于距地球1.1 万光年的仙后座引力弹弓

与在野外驾车出行一样，进行太空旅行时人们最需要担心的就是，飞船燃料不够了该怎么办。在电影中，库珀等人驾驶飞船探寻卡冈图雅黑洞附近的三个行星，旅行途中还发生了意外爆炸，他们必须随时注意节省燃料。更何况米勒行星在黑洞附近的运行速度超过光速的一半，要想在米勒行星上着陆，飞船也必须要达到同等的速度才行。考虑到飞船此前花了两年时间才从地球到土星，利用自身的动力系统，无论如何也不可能达到这个速度。所幸在黑洞附近，他们非常熟练地运用了引力弹弓手段，首先利用一个围绕着卡冈图雅黑洞运行的小黑洞的引力进行加速（利用其引力加快自身的速度），接近黑洞和米勒行星。之后再利用附近一颗中子星的引力场进行减速，进而与米勒行星实现同步，才实现着陆。

电影中通过引力弹弓手段达到接近光速的速度固然只可能出现在科幻电影中，但是实际上，人类的航天器利用天体引力进行加速或减速的引力弹弓手段并不罕见。美国航空航天局（NASA）在1997年发射的“卡西尼—惠更斯号”航天器为了节省燃料，就曾经利用木星的引力进行加速，快到达目的地时，又利用距离土星最近的一个卫星引力场进行减速，完成探测土星的任务。只不过是，在实际中利用行星或是卫星的引力进行的加速或是减速的效果远远不如电影中利用黑洞或是中子星的引力改变自身速度的效果显著了。

多出来的维度

在电影的高潮部分，诺兰导演又一次运用了一个此前曾经被使用过无数次的经典电影桥段：主角库珀驾驶着飞船中的着陆器纵身一跃，与飞船里的机器人TARS先后跳进了卡冈图雅黑洞的视界以内，把女主角推回到了一个安全区域，而库珀则踏上了死亡之路，注定无法再逃出黑洞。

当两个物体相互作用时，作用力与反作用力大小相同，方向相反，这就是著名的牛顿第三定律。库珀自己身陷绝境而推出女主角（虽然因为彼此质量相差太大，效果可能微乎其微），彼此间隔绝着黑洞的视界，这如同一面单方向的墙，库珀仍然可以听到女主角的呼叫，女主角却永远都看不到库珀掉进黑洞。因为时间膨胀的原因，她会看到库珀跌落的速度越来越慢，无限地接近黑洞视界而不会掉入其中，而后库珀的形象越来越红，最后变黑消失不见（从库珀处传到飞船的光子因为黑洞引力发生红移，直至超出人类视力的频率范围）。

库珀跳入黑洞中之后，他与黑洞之外的一切联系在视界处被完全切断，但是他与同样跳入黑洞的机器人TARS之间的联系却与在黑洞外面时没有什么区别。因为卡冈图雅是一个极大的黑洞（半径与地球环绕太阳运转的轨道半径接近），所以当他们跳过黑洞的视界时并没有任何特殊的感受，也没有因为黑洞的潮汐力而被迅速撕裂。与此同时，库珀和TARS获得了融合广义相对论和量子力学的最佳条件，他们终于可以活着在黑洞中采集数据，虽然这些数据注定不能被发送出去，这其中也有着一种“朝闻道，夕可死矣”的毅然决绝。

量子力学和广义相对论都诞生于20世纪初，经过了100年的发展，这两个学科已经成为当代物理学的两个支柱。量子力学主要是描述在极小的微观领域内物质的运动规律，而广义相对论则是描述在极大尺度，或是物质密度极高的条件下，物质和时空的相互作用规则。在20世纪中期，物理学家们就已经意识到了，广义相对论和量子力学彼此间不能相互协调。这两种理论所主宰的领域并不相同，但是试图把它们融合在一起，形成一个大统一理论的尝试至今为止全都失败了。当今物理学的“圣杯”，所有当代物理学家的最终追求，就是获得一种融合了这两种理论的“量子引力理论”。如何才能获得这种理论？物理学家们认为，在这两种理论同时起作用的领域内进行真正的观测，获得数据，就有可能得到启发。

库珀和TARS纵身一跃，终于获得了这种物理学家们梦寐以求的机会，而TARS也抓住机会，迅速获得了观测数据，这是融合两种理论、建立完整的量子引力理论的关键。而就当库珀做好牺牲的准备时，他和TARS一起进入了一个“超立方体”，在这个高级生命为了拯救他们而特地放置在黑洞中的超立方体中，时间维度对库珀打开了。

人们生活在三维空间中，而后相对论结合了时空，把时间变成了一个特殊的维度。人们在空间中可以自由游走，而时间维度的特殊之处在于，根据狭义相对论，尽管在不同情况下可能彼此前进的速度不同，人们在时间维度中都只能前进而无法后退，也就是说，人们无法“回到过去”。但是，空间除了前后、上下、左右三个维度外，还有没有其他维度？此前物理学家们并不相信，认为更高的维度只能是数学游戏而已。在1984年，两位物理学家迈克尔·格林（Michael Green）和约翰·施瓦茨（John Schwarz）在进行量子引力理论研究时发现，在更高的维度数中，量子力学和广义相对论有可能相互融合，这个理论发现开启了一个如今在理论物理学领域炙手可热的研究领域——弦论。在弦论中，除了一个时间维度外，空间实际上存在有9个维度，人们只能感觉到其中的3个维度，而另外6个维度在卷曲起来中，使引力不至于发散得过快，以至于无法形成星系。从此以后，对于更高维度空间的研究不再是数学游戏，而是成为严肃的物理学探索。在电影中，出于视觉效果的考虑，导演并没有展现出多余的6个维度，而只是展现了多出的一个维度，在这个维度中，时间维度也展开了，库珀看到了自己和女儿的过去。原来，以前发给自己信息的人就是他自己。

回到过去，在电影中使时间旅行成为可能，这将使电影陷入到一个循环的悖论中，也是物理学定律所不允许的。为了解决这个难题，诺兰导演做出了设定：在超立方体中，如果黑洞的视界一样，光只能单方向传播过来，过去的自己则看不到超立方体中的一切。另外，一切的粒子、相互作用、场等物理学实在也无法相互传播，这在极大程度上限制了时间旅行的可能。那么，库珀如何把他收到的在黑洞内部的观测数据传送给他已经成为物理学家的女儿，进而解救人类？他只能利用唯一可以从超立方体向过去传播的力，引力。

库珀收到了同在超立方体内的TARS传来的量子引力数据，希望把它传给自己的女儿。但是他发现，他在时间维度上，无法与过去的自己相互联系，他只能单方向收到来自过去的信息，他的女儿却听不到自己的叫喊。但是他马上意识到，引力可以穿过各个维度，进行时间旅行，正因为如此，他用力地反复敲击他女儿房间的书架，产生的引力场使书架上的一些书掉落在地上，这正是他女儿长久以来追寻的“鬼”。也就是说，他可以通过引力作用与他的女儿进行联系。他在收到机器人TARS传来的数据后，掌握了如何利用重力与另一个世界联系，进行时间旅行的方法。他敲击表针，利用摩斯代码与女儿联系，终于把在黑洞里取得的量子引力信息传送出去，解决了难题。

在另一个空间维度中，时间维度展开，得以进行时间旅行，这固然是导演出于剧情需要而进行的幻想，超出了目前物理学范畴，但在另一方面，也说明了很多物理学家相信，要解决量子引力问题，需要引入更多的维度。至于这个超立方体为什么会出现在黑洞的内部，恰好拯救了库珀于绝境，如同在太阳系内忽然出现了一个虫洞，只能说是更高等生命的有意为之了。

纵观《星际穿越》电影，故事与情节并不算新鲜，之所以让其成为一个“现象级”的科幻电影，就因为其中对于科学理论尽量忠实的视觉体现。电影中对于卡冈图雅黑洞的展示，是迄今为止最为准确的描述，在快速旋转的巨型黑洞的周围，围绕着一圈炽热明亮的物质，同时由于黑洞的引力作用，使经过它的光线也发生偏转，造成引力透镜现象。这使得人们在远处观察黑洞，会看到在一个接近圆形的黑洞周围有一个几乎对称的光圈，这些现象，都在电影中得到了忠实的体现，在电影院中看到的视觉效果极为惊人。尽管导演在电影中为了视觉效果做了一些妥协，也有一些难以解决的问题，比如说在三个行星附近并没有一个稳定的恒星存在，因此要想获得能量，只能通过黑洞附近的吸积盘。但是当行星远离吸积盘时，也就必将陷入极度的黑暗和冰冻中，在接近黑洞时又可能会因为引力问题引发行星上的地震和火山爆发，这些在电影中并未体现（电影中的三个行星的天空都被设置为阴天，看不出光和热量的来源）。

《星际穿越》因为众多科学家的参与，以科学的态度尽可能准确展示出一幅奇异而壮观的宇宙景象，必将成为科幻作品的新标杆。它已经在世界上引发了众多关于宇宙学的讨论，也必将开启很多人对于物理学和宇宙学的兴趣和爱好，甚至可能改变很多人的人生轨迹，这可能也就是在电影带来的视觉享受之外，科幻作品最大的价值了。

从相对论穿越时空到未来星际时间的探索

根据相对论，如果一种物质以超光速（300000000m/s一般光速为每秒钟30万千米）行驶的话，就可以实现穿越时空。等于光速时只能是在所在的时空静止了（相当于时空停止，时间不在流逝！），超过光速时可穿越时空！

这个问题目前科学界还没有定论。史蒂芬·霍金写的《时间简史》里对此做过专门的讨论，霍金认为即使真的超过光速，也不可能真正穿越时空，时间倒流只是一个假象，超光速事件将引起时间和空间一系列量子力学上的反应，最终使得穿越时空无法实现。

有人是这样理解相对论的：如果一个钟，以0.5倍声速从原点远去，我们会听到什么现象呢？

于是我们发现，在本地钟1.5秒时，远处的钟报1秒，本地钟3秒时，远离的钟报2秒，也就是我们在忽略测量时间时，误以为远去的钟慢了。而且速度越快，钟慢得越厉害。超过声速我们将追上钟以前发出的声音，也就是先听到钟敲3下，报3点，再听到钟敲2下，报2点，然后听到钟敲1下，报1点，这就是超过声速时间倒流现象！爱因斯坦相对论中钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象，都可以用声音试验做出效果！

爱因斯坦自己的理解，速度无穷大，“绝对同时”有意义，但观测速度上限是光速，因此“绝对同时”无意义。

说明爱因斯坦有时候明白相对论是由于光速太慢，引起的测量问题。如果测量速度无穷大，则同时性的相对性问题不存在。对一群盲人来说，测量速度的上限是声速，则爱因斯坦奉献给他们的伟大理论将是声速相对论，但不能因此得出声速最快。

那么，是不是真的如同相对论说的那样，超光速真的可以穿越时空吗？

1 正文和分析

下面总结一下，作出以下对穿越时空的探索与思考。穿越时空总共有3种情况：1穿越空间，即到达另一个与本空间不同的并且相互独立的另一个空间。甚至我们可以到一个与我们这个空间完全相同的空间，包空人，物。2穿越时间，离开现在的空间，回到过去的某一个时间点，严格的讲这也算另一种形式的穿越空间吧，这个空间已经不是原来的空间，不过这两个空间存在一一对应的关系。3本空间的时间倒流，即我们所处的空间发生改变，回到过去的某一时间点，这种情况属于穿越时间，这个空间还是原来的空间。

当然上面3种情况都是猜想。不过，根据相对论说得超光速时间倒流穿越时空确不属于上面3种中的任何一个。所以说，这只能算是一种幻像。

下面用下面的实验来说明这一点，来具体分析相对论所谓的穿越时空，时间倒流！

在地球上有AB两个人，在距离地球10万光年远处有个星球乙，上面住着C。在地球上AB用望远镜发现C正在举行婚礼。并且A发现C长的像他妹妹，于是A决定乘宇宙飞船去乙星球看看C。假设此时地球上是西元元年，A用望远镜看到C举行婚礼后立即乘飞船动身前往乙星球。

现在我们请上帝帮个忙，让他在此刻也就是地球上的西元元年，在即将动身的A的飞船上，和地球上各放一个钟，并且麻烦下万能的上帝在远处的乙星球，在C举行婚礼时在C星球也放一个钟。然后开始计时，由ABC三人负责观察和记录钟表摆动情况。

为了方便计算和分析，现在我们让A的飞船以光速前往C星球。现在我们分析下当A到达乙星球与C相遇时的情景。根据相对论，速度达到光速，时间会停止。那么此时C星球处于A出发时地球上的时间，即西元元年。而地球上的AB看到C举行婚礼时，其实婚礼已举行了10万年了，因为光从乙星球传到地球需要10万年才被我们看到。所以在乙星球的C观察的钟表摆过了10万年。再分析A飞船上的情况。，运动是相对的，A从地球到乙星球，也可以看成A不动，乙星球向A飞行了10万光年。我们已经提前规定了，速度是光速，所以当A到达乙星球与C相遇时A飞船上的钟表也摆过了10万年（很多看过的人都表示这里存在歧义，不过话说回来，毕竟谁都没有做过这个实验，究竟对与不对也很难说，所以不妨先把这里的疑惑放一放，继续看下去）。最后分析下现在在地球上B的情况。当然，我们认为此时地球还处于西元元年，即出发那一刻。因为光速时间暂停A到达乙星球不需要时间。可是运动是相对的。A远离B，我们同样可以认为B远离A。既然A的钟表可以摆过10万年，那么在某个角度上我们也可以认为B的钟表也摆动了10万年。我们此时可以再麻烦下上帝处于这个特殊的位置观察这一现象。此时在上帝看来，ABC三个人的钟表都摆过了10万年。那么在上帝看来此时是同一时间。即A到达乙星球与C相遇和地球上钟表摆过10万光年为同一时刻。那么，三人都往前追溯10万年，即C结婚和AB在10万光年远的地球上看到C结婚时也是同一时间。相对论也说过，同时具有相对性。所以我们完全可以这样认为。也就是在这一角度上地球与远处C星球的10万年前是同一时刻！！！

此时相对论的穿越时空幻像就可以轻易揭开了。如果A飞船速度是光速，那么A到达乙星球与C相遇，那么，那一刻是西元元年，也就是相对论说得达到光速时间暂停了。如果A飞船速度是超光速，那么A到达乙星球与C相遇，用的时间一定比光速时少，相遇那一刻一定会发生在西元元年之前，这就出现了一个奇怪的现象—西元元年出发，到达目的地时时间确到了西元元年以前！也就是出现了所谓的时间倒流，穿越时空！！！可是，如果把地球上的西元元年与远处乙星球的西元10万年前当成同一时刻，所谓的时间暂停，时间倒流都不存在了。因为那都发生在了上帝在同一时刻放好三个钟表，并同时让三个钟表都开始摆动的那一时刻之后，也就是地球上的西元元年和远处乙星球的西元前10万年这个相对同时之后。按照这种看法，地球上的A如果有瞬间转移的能力，他还可以在看到C结婚时瞬间到达乙星球参加C的婚礼。这依旧不算穿越时空，不算时间倒流，顶多算个穿越距离。

也许，你会反驳，地球跟乙星球是相对的，你可以认为地球上的现在对应着乙星球的10万年前同时发生，我也可以认为乙星球的现在对应着地球上的10万年前同时发生，没错，相对论也说了，同时是相对的，而且在这里似乎确确实实这样对应着，这也正是我们这个空间的本身性质吧。正是空间的这一性质造成了穿越时空时间倒流等各种幻像。

在这个角度上，可以得出信息传递需要时间并且具有方向性，并且进一步可以推算出空间上两个不同的点之间的联系与距离成反比。由此可以得出当距离无限大时两者之间可以认为完全独立。而处于另一个平行空间的任何一点都可以认为与本空间中任何一点有着无限距离，所以在这一角度上可以得出两个平行空间互相独立互不干扰。由此，我们还可以看到穿越时空时一种奇怪的现象。假设存在一个与我们这个空间完全相同的空间。那么我可以在我18岁时到达那个平行空间，而那个平行空间的我可能已经98岁了，也可能我只能看到那个空间的我的第18代单传了。也可能那个空间我还没有出生，甚至我父亲的父亲的父亲也还没有出生。也就是说我可以在这个空间的任何时刻到达那个平行空间的任何时刻。不过，一旦有交集，就产生了联系，就打破了这一现象。比如我18岁时到达那个平行空间，那个平行空间的我15岁了，然后我离开，回到我现在的空间，那么，现在无论我如何努力，到达那个平行空间之后，那个我都会在15岁之后了，除非那个平行空间发生时间倒流。所以说，这种情况才算真正的穿越时空，这属于两个空间时间的相对同时现象。而根据相对论超光速产生的时间倒流穿梭时空只能是一种假像，根本就是在本空间发生的，没有任何的穿越。

下面说下尺缩效应。根据相对论，在运动方向上速度越快，物体在运动方向上的长度越小，速度为光速时，运动方向上的长度可以认为为0，即变成了一个点。我们还可以做个试验分析下，在运动方向上长度为n的物体以速度v通过空间一点，用的时间是t，那么，他的长度n=vt。如果速度达到光速，那么时间暂停，他可以在运动方向上在同一时刻到达前方的任何位置。不管物体本身的n有多大，我们可以认为他瞬间通过了空间那一点。n=vt因为瞬间通过，时间我们认为是0，那么n=vt=光速乘以0等于0，即运动方向上变成一个点。我们已经知道时间暂停本身就是一种错觉，那么这个尺缩效应自然也就是一种错觉了。

如果说上面的例子还是不能揭开这个幻像，那么，现在举个现实版的超光速例子来说明这一点，我们来看看著名的双子实验。

时钟佯谬或双生子佯谬

相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢？由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在哪个参考系中，B都比A年轻。

为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种"超光速"并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。

上面中提到了一个超光速现象。其实很好理解。比如我站在地球上用1秒钟原地转一个圈，根据运动的相对性，那么距离我10万光年远处的一个点，如果以我为静止，把我当参照物，相当于它用了1秒钟以我为圆心以10万光年为半径做了一个圆周运动！现在我们就来看下这个运动，在这一秒内，远处那个点从原点到达的直线最远距离也有20万光年，而且中间是连续的，没发生任何瞬移，它相对于地球上的我的的确确做了一个超光速运动，两个实实在在的物体发生着实实在在的超光速现象。

下面我们用相对论讨论下上面的双子实验。

现在只讨论在火箭参考系内火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。在火箭掉头过程中，地球相对火箭做着实实在在的相对超光速运动。根据相对论，超光速会导致时间倒流，回到过去。我们现在就根据相对论，认为在火箭掉头整个过程中地球做着相对火箭的超光速运动，发生了时间倒流，在掉头结束时地球瞬间又回到了现在。这里，就产生了时间差！就如同作为弟弟的毅小川穿越时空回到了秦朝末年，然后活到现在，以千年老妖的身份见到了生活在现代社会的哥哥毅大川。现在回到双子实验上，是地球的双生子A回到了过去，然后让自己多活了几年。所以，我们完全可以这么认为。只是我们知道自始至终A都没有回到过去，只是对B而言，为了方便计算，而引出的。上面的解释是，B认为在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。这样认为也完全没错。我们自始至终都没看到有穿越时空的发生。而我们也完全可以认为在火箭掉头过程中，A不断的回到过去回到现在，按照微积分来计算，地球方面同时进行着回到过去并瞬间回到现在两种情况，在火箭掉头过程中，如果把A看成时间在均匀变化，那么他的外在表现就是迅速的衰老了。

而这些动钟啊，慢钟啊，迅速衰老啊，时间倒流啊等等这些只不过是我们一厢情愿的认为而已，而站在不同的角度就会有不同的看法，而只要算法正确，那么，不管怎么认为都算是正确的，因为空间中不同的两个点之间可以从不同的角度得到不同的对应关系。虽然可以有多种算法，但是空间中那两点确确实实真实的存在着，当他们产生联系时，按照不同算法得到的结果也必定是相同的。所以，只要我们算法正确，那么我们可以随便对应两点的时间，我们可以让上面的双子实验AB在他们都9岁时让B出发，然后AB就位于了空间中不同的两点了，于是我们可以让B在16岁时对应A的17岁，B在17岁时对应A的21岁，B在18岁时对应A的15岁，而只要算法正确，我们可以随便对应，但是当B返回到地球与A相遇时，就可以认为他们位于空间中的一个点了，就存在了唯一的对应关系，此时只能得出一个相同的结果。正因为我们人为的规定了两者的对应关系，比如B在17岁时对应A的21岁，B在18岁时对应A的15岁，此时就好像A回到了过去，令我们产生了A穿越时空，时间倒流，回到过去等各种幻像。

我们举个例子，把24只羊分成3/13，4/13和5/13 三份，如果直接相乘，得到的不是整数，此时我们可以为了方便计算，引入两只没有的羊，即用24+2=26只羊来分这三份。它们分别是26*3/13=6，26*4/13=8，26*5/13=10。6+8+10=24，正好可以分完24只羊。为什么我们一直认为相对论深奥，不好理解呢？也有可能就是因为相对论中提到了许多诸如时间倒流，时间变慢，尺缩效应，穿越时空等名词把我们给迷惑住了，而根据相对论算出的结果又是那样准确，所以我们理所当然的认为相对论是真理，很难懂，很深奥。但是我们看到的相对论中钟慢、尺缩、超光速时间倒流等现象，应该就是为了方便我们计算而引出的，其实就类似于例子中引入的第25，26只羊，在这里，只是为了方便计算人为规定了空间中不同两点的时间对应关系。从这种角度来说，出现所谓的时间倒流只是我们空间本身性质的一种外在表现而已，相对论的超光速穿越时空只能是一种错觉了，因为自始至终都没有穿越。

因为确实存在着双子实验产生的时间差现象，所以，现实中也可能存在着因为强磁场等原因形成的局部空间扭曲，形成类似双子实验的时间差现象，出现自己的钟表时间与现实中标准的时间不一致现象，或许，现实中的某些现象可以用此作解释，比如下面的例子，网上抄的，不知道是否属实，不过，可能真的存在这样的现象。

1994年初，一架意大利客机在非洲海岸上空飞行。突然，客机从控制室的雷达屏幕上消失了。正当地面上的机场工作人员焦急万分之际，客机又在原来的空域出现，雷达又追踪到了客机的讯号。

最后，这架客机安全降落在意大利境内的机场。然而，客机上的机组人员和315名乘客，并不知道他们曾经“失踪”过。

机长巴达里疑惑不解地说：“我们的班机由马尼拉起飞后，一直都很平稳，没有任何意外发生，但控制室竟说失去班机的踪影，实在有点不寻常。”

不过，事实却不容争辩：到达机场时，每个乘客的手表都慢了20分钟。无独有偶。据资料记载，1970年也发生过类似的奇闻。当时，一架727喷气客机在飞往美国迈阿密国际机场的旅途中，也无故“失踪”了10分钟。10分钟以后，客机也在原来的地方出现；接着，安全飞抵目的地。客机上的所有人也都不知道发生了什么事，而最终使他们相信的理由也是因为所有的手表都慢了10分钟。对此现象，专家们认为惟一的解释是：在“失踪”的一刹那，时间“静止”不动了，或者说出现了时光倒流。

在这里，我们似乎可以加上一个原因，就是飞机进入了局部扭曲空间，做了个同双子试验性质相同的往复运动，于是，出现了跟双子试验一样的结果，出现了不一样的时间。

最后，我们再来分析下上文双子试验提到的超光速现象。上面的解释是在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种"超光速"并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。那么，这究竟算不算真正的超光速呢？我们看下造成这个超光速的原因，我们姑且称这种超光速为圆周上的相对超光速，造成这种现象的原因很明显在圆心，再来看圆周上的物体，他如果做圆周运动，应该受到一个向心力的作用，可是，我们找不到这样一个力。这也可以说明造成这种现象的原因是在圆心，而改变圆心并不需要引起圆心超光速。所以在圆心上不存在超光速现象。而在圆周上的物体虽然相对产生了超光速但造成这一现象的原因在圆心，与它无关，是不是也可以认为它的运动状态没有改变呢？我们知道，运动是相对的，在圆周上的物体明显相对圆心做着超光速运动，而且是两个是实实在在真实存在的物质，我们并没有引出第三个物体，那么，圆周上的物体究竟是对谁做着非真正意义上的"超光速"运动呢？而且，不需要参照物，我们可以根据是否受向心力以及向心力的大小直接判断他究竟是否在做圆周运动以及在做怎样的圆周运动，这个参照物应该就是真空的绝对静止吧！也就是被相对论否定的‘以太’了。上面提到的非真正意义上的"超光速"选定的参照物应该也是真空的绝对静止吧。这就出问题了，如果圆周运动存在着绝对静止和绝对转动，那么直线上的运动呢？因为直线上没有一个类似圆周运动的向心力所以我们无法判断直线上的运动。如果直线上也存在一个绝对的静止，那么相对论否定的“以太”的整个概念就要重新被引用了。设想如果直线上也存在类似圆周运动上的向心力，那么即使我在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，也可以根据那个向心力推算出我的船是匀速运动，还是静止？还可以知道速度的大小。但是这样的话光速不变又怎么解释？而如果真的存在一个真空的绝对静止，再加上钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象都被证实是一种幻像，那么，我们由经典时空观发展到由相对论引出的时空观，将重新向着旧的经典时空观发展了。那么，就会正如同初中物理课本序言中说的那样，一条奇怪的蟒蛇，它用自己的头咬住了自己的尾巴。

2 后序和应用

展望未来，当我们人类的足迹踏遍我们生活的这个空间的每一个角落时，当我们可以自由做星际间的旅行时，我们就需要建立一个新的时间标准了。现在，在此基础上，我们就来看看这个以上面的空间讨论为基础而建立的一个新的星际时间模型吧。就像地球上划分的24个时区一样，我们也可以对我们在星际旅行时的年份做一定的加减，把空间分成一个个年区，建立一个适用于处在这个空间的所有参考系的统一的星际时间标准！此模型可以用8个字来总结，就是空间运动的“进一减一，退一加三”原则！其中‘进一退一’中的‘一’指单位距离，后面的加减指光走完那段单位距离用的时间。

举个具体事例来介绍这一时间模型，还是参考上面的那个实验为背景来分析吧。

在西元元年，在地球上有AB两个人，他俩都11岁，在距离地球10光年远处有个星球乙，上面住着C。在地球上AB用望远镜发现C正在举行婚礼。并且A发现C长的像他妹妹，于是A立即乘光速宇宙飞船去乙星球看望C。我们就根据习惯来定义远处的乙星球时间吧，我们就定义C结婚时为西元前10年，C结婚时9岁，当A到达乙星球时，A的飞船时间（这个时间就是A的飞船上钟表的时间，就是说在西元元年从地球出发时在A的飞船上放一个与地球时间一致的表，然后不考虑其他，当飞船到达乙星球时这个飞船上钟表的时间）为西元10年（初始时间加上路上用的10年），年龄为21岁，此时按“进一减一，退一加三”原则，乙星球时间为西元10年（A的飞船时间）减去光走完10光年的距离（地球与乙星球的距离）即西元元年。此时C距离结婚时已经过了10年为19岁。然后A见到C后发现把要送给C的礼物丢在了地球然后立即由乙星球返回地球，去取礼物……（实在是剧情需要啊，就委屈A多跑两趟吧～～～）。当A返回地球与B相遇时，A为了与乙星球时间一致而在乙星球有过1次调整后的飞船时间为西元10年（出发时的乙星球时间西元元年，加上路上用的10年），继续按“进一减一，退一加三”原则，这里要加三！（可是，为什么是三呢？你看这么分析对不对。地球对应着乙星球的10年前同时发生，这是一个光走完一个单位距离的时间。在飞船掉头过程中，相当于地球由飞船后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方，这里是两个单位距离，20光年，加在一起就相当于三个单位距离了，也就是三个单位距离的时间了……）。西元10年加30年为西元40年，此时A为31岁B为51岁，这就变成了著名的双生子佯谬现象了。此时A取完东西马上又前往乙星球找C，当A到达乙星球时，乙星球为西元50年减10年为西元40年，此时A成了40岁，C为59岁，此时妹妹变成了姐姐～～，又一个双生子性质的现象。

如果以乙星球为中心考虑也正确，C在西元前10年结婚，在西元元年看到A，A离开乙星球到地球按照“进一减一，退一加三”原则，A到达地球时为西元10年减去10年为西元元年，返回乙星球时是西元10年加30年为西元40年，与以地球为中心时结果一致。至于地球方面的时间虽然不一致，只是因为不同的习惯规定了地球不一样的初始时间，所以，这并不影响空间运动的“进一减一，退一加三”原则。

在这里，我们可以建立一个统一的时间标准。我们可以以地球太阳系这里为中心，为时间的原点，然后以此为中心，以距地球太阳系不同的距离为标准，人为划分出不同的区域，我们可以称之为星际年区，当我们跨入不同的年区时按照规则在年份上做一定的加减，来与整个星际的标准时间保持一致，这样可能会方便很多吧。

因个人水平有限，对某些现象的错误分析和推理也在所难免，但愿不会影响总体的分析结果，还希望对此有兴趣的各位一起来分析下讨论下，希望写的对大家有所帮助吧，谢谢。

女王大人

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