克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）导演的科幻佳作《星际穿越》（Interstellar）近日重新上映。电影精彩自不必多说，电影里诸多有趣、硬核的科学细节也值得反复推敲，细细品味。一起来看看电影里一些有趣的科学故事吧。

⚠️剧透警告：本文包含对电影《星际穿越》和小说《2001：太空漫游》的剧透。

一、人工智能与太空探索

电影里，搭载了人工智能的机器人塔斯（TARS）和凯斯（CASE）承担了不少重要的工作，协助驾驶宇宙飞船永恒号，与人类船员一起到陌生的星球探险，向人类船员讲冷笑话，最后还作为探测器被抛到黑洞中。在曼恩博士企图对接和控制永恒号时，正是凯斯提前关闭了飞船的自动对接程序，永恒号才得以免于被曼恩轻易夺取控制权。

图 1. 丑萌能干的机器人塔斯，图片来自电影截图

在科幻题材作品里，人工智能参与太空探索任务并不少见。在英国作家阿瑟•克拉克（Arthur Clarke）所著的经典科幻小说《2001：太空漫游》中，宇宙飞船发现号搭载了哈尔（HAL）9000 型计算机，作为「整艘宇宙飞船的大脑和神经系统」。哈尔要做的事情更多：控制航行，监控维生系统，维持冬眠船员的生命，在必要的时候甚至可以采取必要的措施保护飞船，确保任务顺利进行。小说的高潮之一，便是人工智能哈尔「崩溃」并「叛变」，在以其对飞船极高的控制权限操纵维生和驾驶系统杀害 4 名船员之后才被拔掉芯片而宕机。阿瑟•克拉克早在 1968 年便提出人工智能的独立思考和叛变话题，这个极富远见的预测一直为科幻迷所津津乐道。

参考《2001：太空漫游》，电影里凯斯未征得人类船员同意就擅自关闭自动对接程序，这其实已经是「越级」的危险行为。

话说回我们的现实世界，目前有人工智能参与的太空活动主要来自于国际空间站。2018 年夏天，搭载 IBM 沃森人工智能系统的太空机器人 CIMON 进驻国际空间站；次年 12 月，升级的 CIMON-2 亦抵达国际空间站。CIMON-2 可以根据口头指令在哥伦布舱内喷射飞行，协助拍摄照片和视频，与宇航员进行同理心对话等。在未来的太空飞行和探索中，人工智能想来会深入地参与其中。

图 2. 国际空间站上的太空机器人CIMON-2，图片来自腾讯网

二、引力弹弓效应

引力弹弓（Gravitational slingshot）效应在电影里出现了两次。第一次，永恒号在火星附近利用引力弹弓效应获得加速并驶向土星附近的虫洞。第二次，永恒号在严重受损、燃料不足的情况下，利用引力弹弓效应从卡冈图雅黑洞获得加速，抛下两艘小飞船后成功摆脱黑洞的引力并加速冲向最后一个有希望的星球。

引力弹弓效应同样也是科幻作品里的常客。小说《2001：太空漫游》里发现号宇宙飞船利用引力弹弓效应从木星获得加速；其续作《2010：太空漫游》（准确来说，是其同名电影《2001：太空漫游》的续作）里列昂诺夫号宇宙飞船再次利用引力弹弓效应从木星获得足够的速度返回地球；电影《流浪地球》里地球同样利用引力弹弓效应从木星获得速度逃离太阳系（木星：老工具人了）。

那么，引力弹弓效应是什么呢？

引力弹弓效应又称为「重力助推」，它利用天体的相对运动和引力来改变飞行器的飞行轨迹和飞行速度，可以节省飞行器的燃料消耗，缩短旅行时间。请看图 3，通过巧妙控制飞行器与运动中的天体「擦身而过」，可以让天体的引力拉飞行器一把，显著增加飞行器的飞行速度。对引力弹弓效应的详细分析，请参看维基百科和B 站李永乐老师的视频。

图 3. 引力弹弓效应：飞行器利用行星引力获得加速。图片来自维基百科

引力弹弓效应可以使宇宙飞船无需耗费燃料便获得可观的加速，那岂不是违背了能量守恒定律？其实不然。在这个过程中，宇宙飞船的速度增大了，而行星的速度则减小了。飞船所增加的动能正是来自于行星所减少的动能。但是由于行星的质量非常大，它所减小的速度小到难以察觉。

引力弹弓效应并不是停留在理论和科幻作品中的概念，它已经被多次应用到飞行器在太阳系中的旅行中，是目前太阳系内航行十分重要的一种加速方法。有一个说法称，在宇宙旅行中，化学燃料就相当于划船的桨，而引力弹弓效应就相当于风力，只有掌握并利用这个「风力」，才能高效地在太阳系中旅行，这是一个十分中肯的评论。目前人类已有至少 8 艘探测器利用引力弹弓效应进行加速，其中就包括传奇的旅行者号探测器，来看看它们的传奇故事吧。

1964 年夏天，JPL 的工程师加里·弗兰德罗发现1，在 70 年代末，木星、土星、天王星、海王星等四颗外行星将出现在太阳的同一侧并呈几何排列。如果在 1976 年至 1977 年间发射一枚探测器，得益于此 176 年一遇的天文现象，它可以一次造访这 4 颗行星，并享受多次引力弹弓效应的加速，将原本 30 年的旅程缩短为 12 年。NASA 抓住了这次机会。1977 年，旅行者 1 号和旅行者 2 号探测器发射升空。两枚探测器如愿造访了木星、土星、天王星、海王星以及它们的卫星，拍摄并传回了大量珍贵的照片2。1990 年 2 月 14 日情人节，旅行者 1 号越过冥王星轨道，回望地球，为太阳系拍摄了一张全家福。

在这张全家福中，地球尺寸小于一个像素点，从这么遥远的距离看，地球上所有国家的边界都不复存在，所有战争、冲突和矛盾都变得毫无意义，几千年来多少物种兴衰、王朝更替都显得微不足道，地球在浩瀚宇宙中是如此渺小，遑论人类。这张名为「暗淡蓝点」的地球照片也成为航天史上伟大的摄影作品。

图 4. 旅行者 1 号拍摄的地球照片，你找到地球了吗？图片来自维基百科

得益于多次引力弹弓效应的加速，旅行者 1 号是目前飞行速度最快的人造飞行器；时至 2012 年 8 月 25 日，旅行者 1 号成为首个飞出太阳系的人造飞行器3；目前旅行者 1 号正朝着银河系中心前进并与地球保持联系，科学家推测它将服役至 2025 年左右。此后，它将孤独地飞向群星。

图 5. 旅行者 1 号，图片来自维基百科

三、黑洞长什么样？

在电影里，主角一行在陌生星系里探险时遭遇并近距离接触了名为卡冈图雅的黑洞。电影很清晰地展示了卡冈图雅黑洞的细节：圆形的、完全黑暗的黑洞，以及环绕其周围的由气体、尘埃等构成的吸积盘（Accretion disks）。吸积盘向外辐射光和热，它高速旋转，如流水般流淌并包裹着黑洞，使完全黑暗、没有任何表面细节的黑洞被清晰地勾勒出轮廓并展示在大家面前。

图 6. 卡冈图雅黑洞，图片来自电影截图

图 7. 卡冈图雅黑洞吸积盘的「流动」，图片来自电影截图

那么，电影里的黑洞是怎么得到的呢？它「真实」吗？

事实上，片中黑洞的景象是十分严谨的。《星际穿越》的制作团队为了确保片中所呈现的物理和天文现象的正确性，邀请物理学家基普·索恩（Kip Throne）作为执行制片，为电影所涉及的大量专业理论提供支持和监督。片中卡冈图雅黑洞的造型正是由基普·索恩亲自操刀「绘制」。

基普·斯蒂芬·索恩（Kip Stephen Thorne）是从事引力物理和天体物理学研究的理论物理学家，于 2017 年获得诺贝尔物理学奖。看过美剧《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）的读者应该对基普老爷子不陌生，他曾在《生活大爆炸》第十二季中客串出演，在剧中扮演他自己。

图 8. 《星际穿越》的视觉特效总监保罗·富兰克林（左）与执行制片基普·索恩（右）

图 9. 基普·索恩（右一）客串出演《生活大爆炸》，图片来自《生活大爆炸》

探索频道（Discovery）于 2014 年 12 月播出了一期特别节目「星际穿越》背后的科学」，节目便介绍了片中卡冈图雅黑洞的诞生过程。首先，基普·索恩解出了追踪光线绕行黑洞的方程式，在数学上描述了近距离观察时吸积盘的样子；然后，视觉团队对基普的数学描述和计算结果进行模拟，在屏幕上呈现卡冈图雅黑洞的形貌。这是一次精彩的科学数据可视化操作，其所呈现的黑洞图像和动画令基普·索恩都感到惊讶。

在电影播出的几年后，人类才首次目睹黑洞的直接拍摄照片。2019 年 4 月 10 日，事件视界望远镜合作组织召开全球新闻发布会，发布了于 2017 年 4 月 11 日拍摄的位于室女 A 星系的黑洞的照片，这是人类首张直接拍摄的黑洞照片。在这张「模糊的」照片中，黑洞被光环所包围，这些光线被认为是环绕黑洞的物质所发出的，光线在黑洞强大的引力下扭曲形成光环。

图 10. 事件视界望远镜合作组织公布的黑洞照片，图片来自维基百科

2019 年 9 月，NASA 公布了黑洞的模拟动图。在这个动图中，围绕黑洞高速旋转的吸积盘、黑洞被成为「事件视界」的边界均清晰可见。对比可以发现，NASA 所公布的黑洞模拟动图与电影所展示的黑洞图像和动画几乎如出一辙。我们对此其实不必感到惊讶，毕竟电影中的黑洞来自于领域权威基普·索恩。从科研的角度来看，《星际穿越》的视觉特效团队俨然成了基普·索恩的科研团队了。

图 11. NASA 公布的黑洞模拟动图，图片来自NASA

更多对电影中黑洞的解析和讨论，欢迎查看链接。

四、Eureka!

电影里，墨菲根据所获得的量子数据，终于成功解开了方程组。她激动地将草稿纸抛撒向空中，开心地喊道「Eureka!」，然后回头跟小伙伴说「It's traditional.」(这是传统)。

这是一个有意思的致敬彩蛋。「Eureka」一词源自希腊语，是用于发现某项真相时表达激动之情的感叹词。据说古希腊学者阿基米德在泡澡时看到因身体坐进澡盆而溢出的水，悟出计算不规则物体体积的计算方法，解决了国王委派的检验王冠含金量的难题。这时他便开心地高喊「Eureka!」「Eureka」这个词就在阿基米德的助攻下在科学界走红了。

图 12. 墨菲高喊「Eureka」。图片来自电影截图

如果你是《荒野乱斗》玩家，那你可能已经留意到，游戏里的英雄卡尔有一句台词就是「Eureka」，这又是一个「Eureka」彩蛋。从卡尔的装备和台词来看，他是一名地质学家。安排他来说出「Eureka」彩蛋十分合理、自然。有趣的是，卡尔的另一句台词是「Geology rocks!」，这是一句巧妙的双关，《生活大爆炸》中的地质学家 Bert 也经常将它挂在嘴边。

图 13. 《荒野乱斗》里的英雄卡尔

下次，当你终于解决了一个难题或者获得了重大发现，不妨高喊一声「Eureka」来表达喜悦吧。

结语

在我看来，《星际穿越》是一部伟大的科幻电影，不只是因为它精彩的剧情和震撼的视觉特效，而更多是因为它成功地让科学与科幻相互作用，展示了太空旅行和探索的无尽可能。我十分赞赏电影制作团队的理念：希望更多的人因此而对科学产生好奇，从影片中获得太空旅行和探索的知识。

就像节目「《星际穿越》背后的科学」所说：

也许有朝一日，这些孩子中的一位会踏上火星，或者在推进系统领域取得突破，或在天体物理学领域掀起一场革命。激发他们的热情，是《星际穿越》团队的希望。

电影里还有很多科学细节值得挖掘。比如电影所展示的虫洞有什么科学依据和创作故事？另外，在电影里时间「拉伸」与「压缩」推动着剧情的戏剧性发展，这个「烂柯人」现象与黑洞附近强大的引力密不可分，我们可以利用它来实现时间旅行吗？等等。由于个人的精力和能力有限，诸多有意思的细节无法一一展开讨论了。欢迎大家一起挖掘和分享更多科学细节！