星际穿越-时间视界

星际穿越是一部在设想关于时间和爱在宇宙黑洞中会些发生什么的电影。

从直接的故事情节来看，这只是一个勇敢而无畏航天英雄库珀和他的女儿墨菲及一个操心着人类命运的老教授和他的科学家女儿布兰德，在地球末日来临前，以他们的爱，智慧和冒险精神经历了我们常人无法想象的各种星际历险并最终用解开一个物理方程让地球人类在宇宙中得以继续繁衍的故事。

如果把这仅仅当成一个有趣而好看的科幻故事，那么可能我们也最多会停留在赞叹故事的想象力之丰富和佩服我们的诺兰导演脑洞之大。但，如果曾经去了解过爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论以及波尔，海森堡，薛定谔等提出的量子力学理论，然后在这些理论基础上由身残志坚的物理学家霍金发展出的宇宙大爆炸和黑洞效应等理论体系的人来说，那么星际穿越可以说是这些理论以堪称完美的电影手法做了一次视觉阐述和科普。

比如说，时间的非绝对性，它可以拉长也可以缩短。又比如说，黑洞导致的时空弯曲产生引力效应，虫洞让我们可以星际旅行，我们的世界可能只是五维时空下的一个投影等等。而这些知识理论的很大一部分，不仅超出了我们普通人的认知，也往往是反直觉的，还有些甚至是让我们这种属于在三维空间和一维时间下生存的生物们根本无法想象的。举个例子，星际穿越里的时间并不像我们国内以往流行的那些所谓穿越剧，“嗖”的一下回到过去，然后再“嗖”的一下回到现在来了，那只是一种简单的把单向度的一维时间想象成双向度的一维时间而已，属于没任何科技含量的遐想。

而星际穿越里实际解释了时间的三层含义：1）时间的相对性; 2）时间的弯曲性，3）虚时间。

我们先来说下时间的相对性。

在理论上这是由爱因斯坦的狭义相对论中那个著名的质能转换公式E=mC^2中推导出来的。从牛顿的经典力学中，我们知道了是速度是个相对量，即如果我们说汽车每小时100公里前进，这是以我们原地不动的观测者而言，如果观测者坐在一列以每小时100公里的火车上看这辆汽车的速度时，我们会发现汽车相对于火车是静止的。这就是相对速度。但是科学实验发现了一个反直觉的现象，即对于光速，我们无论在哪个参照系里，光速都是不变的。实际上通过质能转换公式了解到，时间不是一个我们生存世界里的绝对背景，而是随能量而变化的一个相对量。所以，光速在不同的参照系下被观测到速度相同，是因为时间在变，从而导致速度就不变了。以速度而言，高速运动系统中的物体时间流动的相对比较慢，而低速运动系统中的时间会流动的更快。这个观念，对于我们很多人来说，应该是一次认知上的颠覆。除了没有绝对的空间，也没有绝对的时间。而在电影里，由于米勒星球是围绕着黑洞在做高速运动的，所以当库珀和布兰德在米勒星球上只是经历了几个小时的探险再回到在星际飞船上时，对飞船上留守的哥们来说，却已经足足等待了23年4个月8天。

我们接下来说说时间的弯曲性。

在理论上这是由爱因斯坦的广义相对论上发展出来的一个概念。广义相对论中的推出的一个论点就是光沿着直线路径在经过大质量的物体时，由于引力作用，会产生时空弯曲，而引力场和时空弯曲等效。而这个现象最早在1919年被一组英国的科学家在一次日全食观测下获得证实。相比时间不是绝对的而言，这时间弯曲是看起来是个更加抽象的概念，即在黑洞效应中发生的不只是对时间的挤压坍缩，还有弯曲。

我们可以想象一下在X轴上的一根直线，如果我们沿着X轴去挤压它，它最终会变成一个点，但如果我们在Y轴上方向上进行弯曲，那么它可以形成一个首尾相连的圆环。霍金则基于广义相对论中的时空弯曲扩展出了黑洞理论，他认为在黑洞中由于强大的引力作用，所有的物质和能量都会被黑洞吸收并最后坍缩成一点，所以黑洞存在奇点的可能性，而在奇点处所有的物理定律都将失效，时间和空间也不复存在。最终，宇宙在奇点处的一次爆炸产生。但随着霍金在研究了量子力学后，他又进一步修正了他的理论，他认为物质能量被黑洞吞没是个从极大到极小的过程。当黑洞坍缩到量子级别时，那么量子力学会开始起作用。在那时，黑洞中由于量子效应会形成正反粒子对，极高能的正粒子则会有机会从黑洞中以能量形式辐射逃逸出去，而留在黑洞中的负能量反粒子则将顺势抵消黑洞中的能量，最终量子效应可能让黑洞达到一个平衡点。黑洞虽有奇点效应，但由于这个平衡的存在黑洞可能会变成一个有限但无界的“事件视界”。形象的打个比喻来说，事件视界就是一个像地球一样的曲面，时间也在上面会弯曲变成一个没有起点也没有终点的曲面。

然后，我们再来说说虚时间

当时间可以弯曲的时候，就意味着时间需要是二维的。这对于现实世界的我们来说感觉是不可思议的。如果说爱因斯坦的狭义相对论告诉我们了时间可以快也可以慢的真相后，我们还能够去想象，甚至连我们的古人在不知道这些真相的时候也都能够想到，就像观棋烂柯中的砍柴人在仙人洞里看了一盘棋的时间，外面已经是几十年，连斧头木柄都烂了。但对二维时间的想象来说，可能就够呛了。所以霍金在时间弯曲中，引入了一个虚时间的概念，这个虚时间更多是数学意义上的，即他为我们平常感知到的似乎只能沿着一条直线前进而流逝的时间加了一个垂直方向的维度叫虚时间。这样时间也就可以在XY轴之间的平面了做出各种的运动了。对于它的真正意义是什么？还是一个疑问，但至少我们可以抽象的去想象时间的运动轨迹在那里有可能可以成为任何二维图形，斜线，圆形，三角形等。而通过在虚时间的方向弯曲，让时间在黑洞塌缩到某一点时由于量子效应成为一个曲面则是霍金的设定。

在电影里，我们可以看到库珀是在五维空间里完成和在现实世界里墨菲的引力交流的。为什么恰恰是五维呢？而不是四维，六维或者其他维度呢？这就得需要我们明白和清楚诺兰设计的五维空间是哪五维。

我们生活的世界是一个拥有长宽高的立体世界，上过学的都知道这是个三维的立体世界，同时我们也生活在一个时间像流水一样消逝的世界里。如果这两个世界叠加起来，那么我们有了一个四维的世界，但由于时间不能倒流，所以这也是一个并非完美的四维世界。而再加上让时间可以弯曲的霍金的虚时间，那么就形成了电影中五维空间的第五维。所以，库珀所在的那个五维空间就是一个三维的世界和二维的时间世界的叠加态。这也恰好是可以让故事继续讲下去的最低维空间。

所以按照这些理论，在电影中当库珀被卷入到黑洞中时，并没有发生我们以为的他会被黑洞压缩成奇点而消失的事情，反而是他又被意外地弹射出去了，结果在影片中他被带到了一个五维空间中，当然在这里我们不必纠结于导演编的这样的情节是否有科学依据，我想在这个场景下更主要的应该是讲述库珀到达了霍金黑洞理论中假设的那个视界曲面边缘，然后他受量子效应的影响以正粒子的形式逃逸或者游逸在了视界曲面的边缘并意外进入了五维空间。然后，我们就看到了在一个像博尔赫斯巴别塔图书馆一样的五维空间中，现实世界里的时间和事件则以一帧一帧的景象全部陈列在库珀面前，这就犹如我们在现实世界里看的电影，实际上一帧一帧的以每秒22张照片频率播放展示。只不过电影是我们在四维时空（三维空间加一维时间合并成四维）中将事件和时间放置在二维平面里的投影。就像我们对着这个投影-电影-在任意播放的时候，我们是身处在四维时空中，而库珀则身处在五维时空中。这应该是个三维空间和二维时间合成的空间。于是他在五维时空里通过在不同时间段的来回游弋，并以引力的方式将他的信息和解开物理公式所需的黑洞数据传递给了在现实世界里的墨菲，最终解开了方程式，帮助人类移民太空。

同时，由于在黑洞的视界曲面下，二维的时间因为引力弯曲成了一个圆形。这样一来他从离家出发到黑洞视界边缘的时间也形成了闭环，他就可以从未来所到达的黑洞中将消息发给过去的自己，以使自己可以有机会来到黑洞中改变一切。而在他离开黑洞时，被弯曲的时间就又可以展开恢复成平面以及和现实世界里的直线时间，这也就避免了时间无限死循环的矛盾。

诺兰能够拍出这样的电影，除了高超的艺术手法之外，如果没有对以上这样一些科学理论的把握，显然是不可能的。后来仔细看了下他的拍摄团队后才发现，果然背后支持诺兰来拍摄的科学顾问竟然是霍金的学生，怪不得他能够在影片中如此深刻的理解和运用霍金的黑洞理论，从这点上来说，这是一部非常出色的宣传了霍金宇宙观学说的电影。

一个优秀的导演擅于回答问题，但一个卓越的导演总擅于提出问题。如果有机会深入学习过时间简史的爱好者，除了对诺兰在电影中设计的和黑洞相关的情节经常会产生会心一笑之外。其实，还会进一步发现，诺兰高明的地方不只是用电影来诠释了霍金的黑洞理论，而更用电影演绎了一次新的科学思想实验，并提出了他的终极问题：在黑洞导致的时空弯曲下，意识是什么？爱是什么？家是什么？

对这个科学形而上的问题，我们就需要进入到康德的世界里寻找了。我们在下一篇继续聊基于纯粹理性批判下的诺兰在星际穿越中对于世界的认知解读和探索。