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※ 本文轉寄自 ptt.cc 更新時間: 2014-11-14 04:30:27
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 [圖解]《星際效應》的科學事實與想像(文末有雷)

時間 Tue Nov 11 21:52:05 2014



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)
圖解《星際效應》的科學事實與想像 @ 雀雀看電影 :: 痞客邦 PIXNET ::
[圖]
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之三,《星際效應》的科學事實與想像 雀雀的第一篇《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 ...

 


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
[圖]
 

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
[圖]
 

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
[圖]
 

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
[圖]
 

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
[圖]
 


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
[圖]
 


(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]
 

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]
 

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


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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IBIZA: 白洞現在已經不太有人講,現在流行灰洞1F 11/11 22:03
jason40311: 是霍金說的那個灰洞嗎?2F 11/11 22:07
Loverukawa: 所以說,在五次元人設得四維時空裏,所有的立方格都是3F 11/11 22:14
Loverukawa: 庫伯女兒房間的「過去、現在、未來」,"他們"讓庫伯
Loverukawa: 以三次元人類能理解的方式展示五次元看待四維時空的角
Loverukawa: 度。這個場景諾蘭描繪的很迷人~具體化科學理論的模型!
Loverukawa: https://www.youtube.com/watch?v=MN4KC_zlW4g
Imagining the Fourth Dimension - YouTube
Click on the "CC" button to see or turn off the new Hungarian subtitles created by Zoltan Penzeli. Thank you Zoltan! To read along go to

 
Loverukawa: https://www.youtube.com/watch?v=MN4KC_zlW4g8F 11/11 22:20
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Loverukawa: 影片: Imagining the Fourth Dimension9F 11/11 22:20
Loverukawa: 另謝謝原po的圖解,簡單明瞭。
abxtpml56: 先推再慢慢看11F 11/11 22:24
ott: http://disp.cc/b/18-2moP (狹義相對論簡說 - ott板 - Disp B12F 11/11 22:59
狹義相對論簡說                                            - ott板 - Disp BBS
[圖]
[圖]
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    狹義相對論簡說                       &n ...
 
marvinyang: 這篇不錯!復習了ㄧ次13F 11/11 23:05
loveenvy: 圖示很棒!14F 11/11 23:46
inf813138: 推這篇。很清楚!!15F 11/12 01:18
mypolmi: 好文! 解釋了很多電影中的疑惑。16F 11/12 01:38
mypolmi: 但感覺最後Cooper是被五次元人放在四次元裡比較合理@@
mypolmi: 感謝原po分享 這部片真的很棒!
devin0329: 謝謝原po簡單明瞭圖示19F 11/12 02:10
gary63122: 推  感謝圖解20F 11/12 02:42
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1樓 時間: 2014-11-16 20:42:52
-5  (編輯過)
···
人類的科技? 真的是這樣嗎?天空布滿了星艦與外星飛碟
總不能還再自慰高潮,沒有啥超越光速吧?大家都看到了,
加拿大與蘇聯國防部長與總理,
都公開承認有高達20族的外星人在地球工作,還有高階的政府官員也承認 請問有誰敢站出來, 大喊幹罵這位 加拿大國防部長,說謊,放屁 ? 如果不敢,那誰還說無法超越光速, 那外星人如何來到地球? 還是你無知?
沒有超越光速如何到達地球?都是在幾百光年之外的星系人種捏 人類的物理,還能自婊愛恩斯坦永遠是對的? 看看這位專門揭穿美國高階外星工作團隊的機密,沒有人敢罵他說謊, 他說美國政府已經與外星合作,已經造出星門,可以彈躍空間時間 你說他也在放屁? 還是你無知再放愛恩斯坦的屁?
2樓 時間: 2014-11-13 01:36:50
  11-13 01:36
切莫溫馴地走入良宵...
3樓 時間: 2014-11-13 11:54:12
   (編輯過)
微中子並沒有超越光速 那是實驗測試錯誤 CERN也有發新聞更正 那是測速用的全球定位系統(GPS)和連結電腦的光纖纜線接頭鬆動,才影響了微中子測速結果 愛因理論還是正確的喔
4樓 時間: 2014-11-13 13:11:50
  11-13 13:11
Leader都下台了說, 一個錯誤的訊息, 在空間裡迴盪,真可怕.
5樓 時間: 2014-11-13 13:14:59
  11-13 13:14
切莫溫馴地走入良宵...
6樓 時間: 2014-11-13 15:27:31
  11-13 15:27
推!
7樓 時間: 2014-11-14 14:48:24
  11-14 14:48
立馬翻相對論
8樓 時間: 2014-11-14 19:44:58
  11-14 19:44
9樓 時間: 2014-11-14 20:31:20
  11-14 20:31
空間上的移動是有可能的 但時間上的移動只是虛構的幻想罷了...
10樓 時間: 2014-11-14 22:00:16
  11-14 22:00
碉堡了!推多拉a夢
11樓 時間: 2014-11-14 22:25:53
  11-14 22:25
12樓 時間: 2014-11-16 16:10:35
-1  (編輯過)
誰能解釋,這隻現代的瑞士表, 是如何穿越時間,從一千年前的古墳墓裡挖出來的
而且還是戒子型的新款精細的瑞士表? 
還可打手機捏, 活見鬼,沒有發明手機,就已經在使用了?
13樓 時間: 2014-11-16 21:08:00
-1  (編輯過)
還是乾脆把你給汽化掉,把你給直接強光汽化掉,這樣你家人就會信了?
大家幫你撿骨,汽化掉的殘渣,就說你真的在虛幻中,消失轉換了,
回到未來,如何?
還有警察的錄影存證,保證如假包換! 地上的那堆衣服與配件,
就拿回家當紀念吧,就當作死鴨子嘴硬,不信虛幻命不回!
如果命大, 司機被強光給逮走, 
卡車摔抓起來丟下去,嚇死人,,真的虛幻星際效應.害死人啊!
或是整架飛機,給你虛幻消失了,等35年後,你再回來掰如何虛幻虛構的故事?
15樓 時間: 2014-11-17 02:29:09
+2 11-17 02:29
老實說..很多理論都不是新的理論..一秒看懂蟲洞理論
[圖]
18樓 時間: 2014-12-12 21:47:25
  12-12 21:47
星際效應我有個很大的疑點
若依相對論,星球裡面7小時等於外面35年
但35年的部分是指真空部分(沒有引力干擾時空)
真空部分的35年,對地球來講可能也只有幾天
難到他忘記地球有引力了嗎?
又如果地球35年
在太空站上那個人應該早就死了啦
地球時間都夠35年了,他至少也過幾百年了
越想越怪...
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