星际穿越“一小时等于七年”的桥段有何科学依据?该如何理解

《星际穿越》作为一部硬科幻作品深受广大科幻迷的喜爱,下边这位“老头”对于一些人来说可能很熟悉,他就是基普·S·索恩,在2017年因“在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献”获得了诺贝尔奖,同时他还是霍金一生的同事和挚友。霍金生前非常喜欢和别人打赌,而基普·S·索恩就是其中之一。曾经关于“天鹅座X-1是否为一个黑洞”的赌约上,输给了基普·S·索恩一年的杂志(不可描述那种)。

上图中的一整面环形黑板就是在星际穿越中出现的背景,而基普·S·索恩正是星际穿越的科学顾问,正在为影片书写公式。基普·S·索恩的主要研究方向和领域就是爱因斯坦广义相对论下的天体物理学,目前在世界上属于该领域的领头人。

在星际穿越中涉及到的科学理论几乎处处跟爱因斯坦的相对论有联系,包含黑洞、虫洞、奇点、引力异常和高维空间。

由于地球上的环境已经不再适合生存,人类派出了一对航天员通过位于土星旁的虫洞,来到了遥远的星际空间,在这里有一个超大质量黑洞,绕着超大质量黑洞运转的有一颗行星。主角一行人来到这颗行星上,仅仅过去了3个小时,但此时地球上的时间却过去了21年。这意味着在新天体上1小时的时间等于地球上的7年。

这就是爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论的核心就是时空弯曲,爱因斯坦认为引力并非是真正的力,而是时空弯曲的外在表现而已。物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。时空弯曲的曲率越大,表现出的就是引力越大,引力越大的地方时间膨胀效应越明显,或者说时间的流逝速度越慢。

这样的效应是非常好理解的,我们可以举一个例子来说明,很多人应该都知道VCD或者DVD吧?(这里应该暴漏年龄了0.0)播放光碟的时候可以进行几倍快放或者几倍慢放,假如有一个电影播放时长1个小时,但这个时候我们把它进行慢放,看完这个电影竟然花费了3个小时。实际上无论我们是用1个小时看完电影还是3个小时看完电影,最终整个内容量是不变的。

而时间膨胀就是如此,星际穿越中出现的一个小时等于地球上七年的桥段,如果相互之间可以看到对方,那么就会出现在米勒星球上的主人公用了3个小时的时间,看完了地球上21年发生的所有事情,这个过程就是“快放”。而地球上的人如果看米勒星球上的一行人,那就是用了21年的时间,看了他们3个小时内发生的事情,这个过程就是被“慢放”了,一个眨眼动作在地球上看来可能都要好几个小时。

这就是广义相对论时间“同时性的相对性”,米勒星球所处的位置是超大质量黑洞附近,这里引力大或者说时空弯曲曲率大,导致了时间的膨胀,才会发生一个小时等于地球上七年的情节。

文/杜若,图片来源网络侵删。

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