六年之后，诺兰的《星际穿越》再次回归。估计会有不少小伙伴去电影院重温一下吧？

截至8月14日，《星际穿越》中国内地重映票房突破1亿元。
这次破亿用时12天，也是内地电影院复工以来第二部此期间票房破亿的电影、第一部破亿的重映老片。该片由诺兰执导，2014年上映，目前内地累计票房8.55亿元。 ​

作为一部科幻片，诺兰请来了美国理论物理学家基普·索恩作为科学顾问，把知识理论方面拿捏得死死的。

《星际穿越》就是基于基普·索恩的理论成果，而他的理论成果基本都在他的著作《黑洞与时间弯曲》一书中。该片剧情将涉很多的科学概念，包括黑洞理论、虫洞、相对论、时空穿越等等。为了帮助大家更好理解这部电影，我们赶紧来学习一些基础的物理知识吧。

没有剧透，放心食用。

研究宇宙的基础理论：相对论

很多人知道，牛顿当年提出了力学三大定律和万有引力定律，可以解释地球上万事万物的运行规律。但问题是，我们所生活的世界是一个低速运转的世界，就算是速度比较快的东西，比如超音速客机或者兰博基尼，跟高速运动的宇宙相比，都像是缓慢蠕动的虫子。

也就是说，牛顿的那套规律到了地球外面就不一定适用了。怎么办呢？在那些牛顿力学不适用的场合，我们就要借助另一位伟大的物理学家——爱因斯坦的研究成果“相对论”。

相对论可以分为狭义相对论和广义相对论。

狭义相对论是对牛顿力学的拓展，它解释了物体在高速运动时的一些规律，其中最具参考价值的一条，就是光速不变定律。在狭义相对论中，光速是恒定的指标，这意味着不论观察者以什么速度运动，测量到的光速都应该完全相同。

大家也许会纳闷，这怎么可能呢？要是我比光的时速慢200公里，那测出的光速就应该是每小时200公里，假如我跟光一样快，那光速对我来说应该是0，怎么会一样呢？这是因为，根据狭义相对论，物体运动的速度越快，时间的流逝就越慢。要是你的速度接近光速，那时间对你来说就接近静止了。因此，光速是不变的。

那广义相对论说了什么呢？它是对牛顿引力定律的扩展。根据牛顿的理论，引力是由质量产生的，物体的质量越大，产生的引力也越大。至于为什么会这样，牛顿一直也没搞明白。

到了爱因斯坦这儿，他是这么解释的：

空间就像一块绷紧的弹性薄膜，有质量的物体就像是薄膜上大大小小的玻璃球，相当于原本平坦的空间上形成了大大小小的坑。玻璃球的质量越大，就会让薄膜凹陷得越深，质量小一点的球就会向这个坑滑过去，引力就是这么来的。

相对论的重要性，就在于上面的两个结论：狭义相对论说明了时间不是绝对的，广义相对论说明空间不是平坦的。

实际上，我们的宇宙是一个混杂了时间和空间的复合体，这两个要素会受到各种力和能量的影响而发生改变。要想理解宇宙，我们首先就得接受这个设定。

除此之外，爱因斯坦还提出了另一个重要的结论：从本质上来说，物质和能量是一回事，它们在某种条件可以下互相转换，这其实就是大家都听说过的质能方程：e=mc2。也就是说，在宇宙的任何一个角落，随时可能在进行着物质和能量的转换。

那么，宇宙到底是什么呢？根据大量的计算和观测结果，再加上爱因斯坦的理论，我们可以大致推测出宇宙的状态：它是一个仍在膨胀的巨大空间，直径超过100亿光年，里面充斥着散逸的能量和粒子。我们如今看到的世界，都起源于100多亿年前一次突然的暴胀，让宇宙在几秒钟内，体积从零变得巨大。

“能吞能吐”的黑洞

单听“黑洞”这个名字，很多人可能觉得，它就是一个黑黑的大窟窿。黑洞确实挺“黑”，由于这里的超强引力，就连光都没法逃脱，但要觉得它是个空洞，那就大错特错了，恰恰相反，在空荡荡的宇宙中，黑洞可能是最挤的几个地方之一，这里聚集了大量的物质。恰恰是因为如此巨大的质量，黑洞才有困得住光的强大“法力”。

可是黑洞为什么会有这么大的质量呢？这还要从黑洞的形成说起。假如天上的星星也有生老病死，那黑洞就是恒星的尸体，而且还必须是一颗超大的恒星。

按照定义来说，恒星都能发光发热，就像是燃烧着的大火球。在这个过程中产生的大量能量会让恒星向外膨胀，而另一方面，构成恒星的粒子之间存在引力，会让它向内收缩，当这两种作用力保持平衡的时候，恒星就能维持球体的样子。

当然了，再多的燃料也有消耗完的一天，在几十亿年甚至数百亿年之后，恒星会燃烧殆尽，慢慢死亡，到那会儿，它就没能力抵抗万有引力的束缚，构成它的粒子会互相聚拢在一起。

我们刚才说过，引力是一种特殊而又强大的力，最关键的原因在于它总是在相互叠加。构成恒星的微小粒子一旦聚拢在一起，密度就会越来越大，引力也不断增加，周围的行星、彗星全都被吸引进来，最终在很小的空间里聚集大量的物质。

大家想象一下，按照爱因斯坦广义相对论的说法，空间就像是一张橡皮薄膜，假如用锥子在一个点上狠狠地扎下去，会怎么样？

你不断用力往下压，即使是质量再好的橡皮膜，最终也会被扎出一个口子。

这颗正在死亡的恒星就像这把锥子，而它在橡皮膜上扎破的地方，就是黑洞。所以说，黑洞其实是空间的裂口，它可能很小，但物质一旦靠近，就都会被吸引进去，像掉进了无底洞一样有去无回。

“正物质”和“反物质”

如果宇宙中有很多黑洞，而且它们会像贪吃蛇一样越来越大，那岂不是总有一天，我们的整个世界都会被大黑洞吞掉？别担心，黑洞在吸收物质的同时，也在辐射出能量。可是，连光都逃不走的黑洞，能量又是怎么跑出来的呢？

要想回答这个问题，我们先来理解一对概念：“正物质”和“反物质”。

这个地球上大部分的物质都是由正粒子组成的“正物质”，而每一个“正物质”都有跟它完全对应的、由反粒子组成的“反物质”。

通常情况下，正物质和反物质一旦相遇，就会发生湮灭，散发出大量的能量，而能量又可以创生一对一对的正反粒子，再分别组成正反物质，这个循环过程叫做真空量子涨落。在这些粒子真正组成物质之前，它们还是没有质量的虚粒子，包括虚正粒子和虚反粒子。

然而在黑洞附近，情况就不一样了。在黑洞边缘产生的虚粒子对，可能会出现这样一种情况：虚反粒子被吸进黑洞，虚正粒子留在外面。如此一来，这对虚粒子就没法碰撞湮灭，从而发生“实化”，黑洞里的虚反粒子成为实反粒子，而黑洞外的虚正粒子则会成为实正粒子。

由于反粒子的质量是负的，所以当它被吸入黑洞之后，黑洞的质量不增反减。如此一来，从旁观者的角度看，这个过程就像是一个粒子从黑洞里跑出来，黑洞的质量因此减少，就好像黑洞在辐射能量一样。

最终，被黑洞吞噬的物体都会以这种辐射的形式再“吐”出来，而那个撕裂空间的黑洞，也会越来越小直至消失。这也是霍金本人毕生研究的“黑洞蒸发理论。”

虫洞：时空旅行有可能吗？

时间不是单向的，而是一个可进可退的闭合环，那时间旅行到底能不能实现呢？

相对论告诉你：不行。前面说过，要想达到时间静止的效果，就必须接近光速。而想让时间倒流，就必须比光还快。但问题是，相对论不允许任何有质量的物体达到光速。

那有没有什么别的办法呢？我们可以参考另外一个理论——宇宙弦，它认为宇宙中存在着好多像橡皮筋一样的弦，如果把宇宙比作一块屋顶，那弦就是支撑屋顶的房梁，它们的形状和排列，也就影响了宇宙的形状。宇宙就绷在各种各样的弦上，弯弯曲曲的。既然时空是卷曲的面，没准我们就能走到过去了呢。

还有一种理论支持时间旅行的可能性，那就是虫洞。

虫洞是连接两部分平坦时空的狭窄通道，你从这个时空的口进去，再从另一个时空的口掉出来，就像穿越一样。假如人们能够任意卷曲空间，建立虫洞通道，别说是回到过去了，就连跨越几十乃至几百万光年的瞬间移动也不在话下。不过，虫洞真的能实现吗？

目前来看是有可能的，我们需要很多的能量，但要注意——是负能量，因为负能量才能把时空卷曲成可以穿越的马鞍面，而我们平时所说的能量，也就是“正能量”,只会把时空弯曲成一个球面，在这个球面，我们永远没办法回到过去。

当然了，也有人觉得时间旅行不可能，比如最经典的悖论，要是一个人回到过去，杀死了还在幼年的父母，那这个人到底还存不存在呢？不过在宇宙学家看来，这个行为不会改变已经存在的时间线。

换句话说，当你穿越到过去之后，你原来所在的时空并不会因此改变，其他人该干嘛干嘛，只会发现你凭空消失了。而在你到达的那个时空里，也只不过凭空多了一个人，你跟还在幼年的父母没有任何关系。在另一个时空里，你无论做什么，都只会创造新的历史，而不会改变你已知的历史。

在粒子层面，也有反对时间旅行的理论。

它认为，正反粒子对不断创生和湮灭的过程构成了闭合的时空圆环，如果说粒子湮灭是正向的时间，那么粒子创生就是反向过程。如此一来，时间旅行就意味着，构成你的所有粒子沿着时空圆环逆行。

既然是逆行，就会出现粒子创生，换句话说，周围的虚粒子都会变成实粒子，组成实实在在的物质，堵住你回到过去的路，让你只能沿着目前宇宙的箭头前往未来。

好了，希望学习完这些硬核知识，能对你的观影有所帮助，大家可以愉快地去秀知识了。

编辑｜凉山

排版｜凉山

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