《星际穿越》：黑洞与未来生存空间

UFO爱好者

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。
　　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。
　　-本报记者俞陶然
　　黑洞为何能“吞噬”光
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
     
  
        
　　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。
　　接近黑洞奇点会发生什么
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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”。
　　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。
     
  
        
　　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”。
　　人类未来应移居哪里
　　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？
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
     
  
        
　　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。