孟繁磊

2019年4月10日，一张仅有十个像素大小的照片吸引了全世界的目光，这是人类历史上第一次拍摄到的黑洞照片，它不仅直接帮助我们确认了黑洞的存在，而且也再一次验证了爱因斯坦相对论的正确性。

在这张照片问世之前，各式各样的黑洞图片充斥在我们的生活中，实际上，它们是人们对黑洞的遐想与艺术加工。而电影《星际穿越》中的黑洞，除了必要的影视艺术加工外，最大程度上模拟还原了真实的黑洞。导演诺兰特别邀请了物理学家基普·索恩担任科学顾问。作为黑洞和广义相对论领域最杰出的物理学家之一，基普·索恩曾在2017年获得诺贝尔物理学奖。

影片从一开始就将科学概念植根在电影的构架中，这也是基普·索恩最看重的地方。《星际穿越》里没有任何东西违背已经确立的物理定律，即便是影片中的一些推测，看似疯狂，其实也都源于科学，而非来自编剧的幻想。因此我们可以在整部影片中，看到大量当时极为前沿的科学观念与场景，比如人类并没有去过的黑洞或见识过的五维空间，电影却将它们表现了出来。

作为诺兰的第二部科幻电影，《星际穿越》在拍摄时采用了70毫米的IMAX胶片。尤其是在电影的后半段，利用超大胶片表现宇宙的壮阔，带来的观影体验可谓无与伦比。在拍摄过程中也极少使用绿幕与CG，而尽可能采用精细的模型与场景实拍。其中库珀在玉米地里追逐无人机的画面，为了追求拍摄的真实感，诺兰竟然真的在加拿大种植了500英亩的玉米。

影片中最令人难忘的一幕莫过于黑洞——卡冈图雅的出现，它是一个带有吸积盘的超大质量克尔黑洞，具有1亿倍太阳的质量。卡冈图雅是根据基普·索恩提供的计算公式和结果数据建模渲染制作而成的。特效团队参考基普·索恩的公式以及黑洞数学模型，编写了一个全新的用于黑洞图像渲染的“弯曲光线渲染器”。这也是第一个符合广义相对论的渲染器。

在卡冈图雅的渲染过程中，“引力透镜”这种爱因斯坦效应导致的小小弯曲，会让计算变得非常繁重。因此卡冈图雅是靠30名研究人员，耗时1年，用数千台计算机联网进行精确模拟，才让我们能看到震撼的一幕。在当时，卡冈图雅被认为是最符合物理原理的黑洞景象。

黑洞和虫洞

首先需要了解，黑洞不是“洞”，它是存在于宇宙空间的一种天体，因为黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。黑洞的中心点为奇点，而外部的视界作为一个边界，在这个边界上，逃逸速度等于光速，只要踏过视界就再也不可能出来，因为理论上不会有超越光速的速度。

黑洞不会发光，但当宇宙中的气体和尘埃被黑洞引力捕获后，除了部分被吸入黑洞外，其他剩余物质会围绕黑洞进行公转，分子间产生剧烈摩擦，释放出热量和电磁波，形成绚烂宏伟的吸积盘。

很多人会下意识地将黑洞与虫洞混为一谈，但两者完全不同。目前黑洞的存在已毋庸置疑，而虫洞属于时空弯曲的一种形式，到目前为止，物理学家们只能通过广义相对论对它进行论证，并没有像黑洞那样有足够多的证据支撑它的存在。由于黑洞最初也是由广义相对论进行推算得出的，因此人们相信虫洞存在的可能性也极大。

其实按照我们所接触的物理知识，黑洞与虫洞都应该是无法被看见的，而电影中的卡冈图雅可以被看见，除了必要的艺术加工外，作为《星际穿越》的首席科学顾问基普·索恩，在影片上映不久还发表了关于“黑洞可视化”与“虫洞可视化”的两篇论文进行阐述。

引力与时间

电影《星际穿越》多次涉及引力与时间的关系，比如在探索完第一个星球返回后，众人惊讶地发现时间竟然已经过去了20年。在广义相对论中，引力场会影响时间流速，引力越大，时间流速就越慢。而在现实中，原子钟在卫星上和在地面上走时不同，因为卫星受到地球引力小于地面，走时略快，因此需要计算机不断地进行调校。

同理《星际穿越》中的水行星距离卡冈图雅很近，受到的黑洞引力场较大，再加上星球本身的重力又是地球的1.3倍，所以水行星和地球的时间流逝速率差别巨大。我们之所以感觉不出来，是因为当我们处于相对于地球上更弯曲的时空中时，时间流速变慢，细胞生长与死亡周期变慢，神经系统变得迟缓，导致我们察觉不到异样。

引力弹弓

随着电影《流浪地球》的热映，引力弹弓也逐渐被大家所熟知。影片中，地球借助木星的引力弹弓脱离太阳系，而在《星际穿越》中，为节省燃料，主角同样利用黑洞的引力弹弓效应，使飞船前往第三颗行星。

其实引力弹弓并不神奇，它不过是一种常用的飞行器加速方法，航天器从一个天体的公转方向的反面进行所谓的“包抄“时，就会因天体的引力而加速，如果从公转方向的正面经过，就会因天体的引力而减速。其中由美国宇航局研制的无人外太阳系空间探测器旅行者1号经过木星、土星的加速度后飞出太阳系，旅行者2号则是经过木星、土星、天王星、海王星的加速，才最终脱离太阳系。

然而在《星际穿越》中，飞船并未脱离黑洞的引力范围，因此导演在这里引入了“彭罗斯机制”。首先，卡冈图雅属于典型的克尔黑洞，在視界外有一层空间叫做能层，飞船可以利用抛弃自重的方法将部分物质抛离，用黑洞的角动量换取剩余部分的引力加速动量，这个过程被称为“彭罗斯机制”。因此大家可以看到，影片中母船在黑洞附近把两艘小飞船丢进黑洞，从而可以获得更大能量。影片中将之称为“弹弓效应”并不完全正确，因为通常引力弹弓效应指的是单纯利用引力加速。

如果掉入黑洞会怎么样

《星际穿越》中，男主库珀选择落入卡冈图雅，以换取母舰加速，而自己穿越视界后进入了五维空间，这里主要是影片本身的情节和艺术需要。而实际上，如果你一头扎进黑洞，并不会出现在高纬度空间，你会被拉力从头拉到脚，同时会受到潮汐力的挤压，渐渐被黑洞拉成一根面条。

我们目前已知的物理定律，都不适用于黑洞中心，物理学家们仍在研究其中发生的过程。电影《星际穿越》不仅涉及到很多基础科学知识，还囊括了不少当时最前沿的物理学知识，再加上一定的合理推测，使整部影片尽可能与科学保持一致，在理论与现实的中间区域尽可能地发掘，将宇宙充分地展现给观众们。