星際穿越：時空、引力與父親之愛（花無屆第71期））

——全文轉(zhuǎn)自公眾號 從家到校amazing（筆者，美國南加州某著名大學(xué)物理系在讀本科生，電影愛好者。）近來在學(xué)習(xí)與廣義相對論和引力有關(guān)的理論，便在閑暇之余找出了之前觀看過幾遍的科幻片《星際穿越》觀賞。這部2014年年底上映、由著名導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭（著名作品有《黑暗騎士》《敦刻爾克》等）執(zhí)導(dǎo)的“硬科幻”電影，在美國IMDb（互聯(lián)網(wǎng)電影資料庫）評分8.6，位居影史第30名。在排名前三十的電影中，多半都是上世紀(jì)的經(jīng)典電影（如《教父》《肖申克的救贖》《公民凱恩》等）。上榜的二十一世紀(jì)電影少而又少，而2010年以后的電影更是鳳毛麟角。而不得不提的是，前30名中只有兩部是2010年之后的電影，一部是《星際穿越》，而另一部則是同樣出自諾蘭之手的《盜夢空間》。克里斯托弗·諾蘭，這位年輕（和其他一流導(dǎo)演對比來講）的導(dǎo)演對電影世界所做的貢獻(xiàn)之大，可見一斑。對于類型來講，此片依舊屬于小眾類。不難發(fā)現(xiàn)，科幻片雖然經(jīng)常被人津津樂道，但卻絕大多數(shù)都是那種更偏向于“玄幻”和“傳奇”類的“軟科幻”。換句話說，大家更喜歡那些架空的、不是特別基于現(xiàn)實的科幻題材電影。不難理解，這樣的電影，看起來并不需要多費(fèi)腦子，也不需要特別的專業(yè)制作。然而，這種電影多半都會有嚴(yán)重的邏輯缺陷并且缺少科學(xué)理論基礎(chǔ)，看完爽快是爽快，但同時也讓人感受不到真正的精神滋養(yǎng)。而《星際穿越》不一樣。它雖然也設(shè)定在了一個架空的年代，但它卻具有十分堅實的物理學(xué)理論基礎(chǔ)——廣義相對論。這部電影擁有一支專業(yè)的科學(xué)團(tuán)隊，著名物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne，因其成功探測到引力波而獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎）就在其中。這支團(tuán)隊為其中許多場景的構(gòu)建提供思路，包括其中著名的黑洞的場景。換句話說，如果沒有一點點物理學(xué)的基礎(chǔ)，想看懂這部電影，還是有一些難度?？偠灾?，《星際穿越》毫無疑問是一部十分優(yōu)秀的電影，不論從商業(yè)角度、美學(xué)藝術(shù)角度，或是科學(xué)正確的角度，它近乎完美。在進(jìn)入討論之前，我想稍微回顧一下這部電影的劇情。故事講述在不遠(yuǎn)的未來，對地球自然資源過度的消耗終于讓人類嘗到了惡果——自然環(huán)境極度惡化、人類的生存受到了威脅。于是，人們不再發(fā)展科學(xué)和工業(yè)，轉(zhuǎn)而將全部精力投入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。即便這樣，農(nóng)作物依舊一個接一個地滅絕。秋葵、大米、水稻……而最后剩下的玉米，恐怕也時日無多了。

男主Cooper （庫珀）是前NASA（美國國家航天局）的工程師，也是一位優(yōu)秀的飛行員。他的兒子Thomas（湯姆，在電影中多被稱為Tom）學(xué)習(xí)成績很差，學(xué)校認(rèn)為他可以成為一名優(yōu)秀的農(nóng)民；而聰明的女兒Murphy（墨菲,在電影中多被稱為Murph）則對宇宙和自然有著強(qiáng)烈的好奇心。在一次機(jī)緣巧合之下，Cooper意外地闖入了NASA的基地，并了解到他們試圖到外太空尋找人類新希望的計劃（被稱為拉撒路行動）。他們鎖定了三個星球，而Cooper就是他們要尋找的飛行員。于是，在一番掙扎后，Cooper和Brand（布蘭德）博士以及其他兩位科學(xué)家踏上了這趟旅程。而在地球上的Murph則一直嘗試聯(lián)系太空中的父親，并試圖破解拯救人類的謎題。在這場空間和時間的旅行中，唯一貫穿的，便是引力和父女之間的愛。上面是對這部電影劇情的大概講述。如果想得到更為詳細(xì)的劇情簡介，請自行在互聯(lián)網(wǎng)上搜索。接下來，我想從幾個角度，來說說我對這部電影的感受。

1藝術(shù)性正如去年大導(dǎo)演馬丁·斯科塞斯對漫威的超級英雄系列電影做出的評價一樣，電影，或者說“cinema”，應(yīng)當(dāng)是一門反映人與人之間心靈溝通的藝術(shù)，而不是像漫威那樣的主題公園式的商業(yè)作品。

如果單單從電影藝術(shù)性的角度來評判，《星際穿越》絕對足夠被稱為一部“cinema”。這部電影的攝影、畫面構(gòu)造、特效制作和音效——這些技術(shù)層面的事物——足夠被稱為完美。其畫面充滿著科幻片特有的美感，加上著名電影配樂大師漢斯·季莫（Hans Zimmer）的配樂，音樂與畫面相結(jié)合，這部電影成為了一部混合著末世感和科幻片特有的通靈感的視聽盛宴。影片中最著名的配樂當(dāng)屬Cornfield Chase (玉米地追逐)，這是一曲由管風(fēng)琴聲音主導(dǎo)的音樂。大家對管風(fēng)琴的聲音并不熟悉，多數(shù)時候都會讓我們想起高大威嚴(yán)的天主教堂，這也正是這個配樂的特別之處。首次出現(xiàn)在影片開始，Copper一家在自家的玉米地中開著車追逐一架在空中飛行了十幾年、迷路了的印度無人機(jī)。當(dāng)時背景的音樂聲巨大，畫面中是一輛汽車在廣闊的玉米地中馳騁。這樣大師級別的搭配，讓你真的能在看電影的時候身臨其境，不，也許比身臨其境還要震撼。▼

經(jīng)典的玉米地追逐畫面

這段音樂還在影片的最后出現(xiàn)。當(dāng)時，Cooper為了救Brand脫離黑洞的引力范圍，自己自愿落入黑洞的奇點（singularity）中，從而進(jìn)入了一個五維的時空。在那個時空中，他能夠在時間線上隨意前進(jìn)和后退（之后我會解釋他能這么做的原因），而組成這個時空的便是他女兒的一個個房間——在不同時間點的同一個房間。這段是電影的高潮，也是整個電影對愛的主題的升華部分（同樣，之后我會再分析這一點）。這種在高維空間中穿梭的畫面，配上開始的玉米地追逐的背景音樂，我們何嘗不能理解為，這個五維時空，就是另一個玉米地呢

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Cooper在五維時空中穿梭

電影本身就是視聽結(jié)合的藝術(shù)，而這種藝術(shù)在這部電影的這兩個場景中被發(fā)揮到了極致。如果有興趣的話，你可以多品嘗品嘗這兩個段落，也許會有新的想法。這部電影另一個藝術(shù)造詣超高的方面就是它的畫面處理。美國作為第一電影大國，其科幻特效做到現(xiàn)在早已爐火純青，一個不是特別高投資的電影就能做出十分逼真、高規(guī)格的特效。去年號稱國產(chǎn)第一科幻的《流浪地球》上映，雖獲得贊譽(yù)無數(shù)，我本人也認(rèn)為是國內(nèi)科幻片的新高度，但不得不承認(rèn)，《流浪地球》離好萊塢的一線水準(zhǔn)，還差著幾個十年?！缎请H穿越》中所用特效描繪出的外太空、外星球以及黑洞的樣式，畫面之震撼，或許都無法用語言來描述。▼

Cooper一行人乘飛船飛離地球

一邊是地球

一邊是浩瀚未知的宇宙

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一個表面全部被水覆蓋的星球

這樣簡潔的畫面

沒有多么炫酷的特效

卻給人無限的震撼

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全片中最重要的“角色”之一

——黑洞Gargantua(左)

值得一提的是

在電影上映的2014年

人類還不知道黑洞的真正樣子

而這個黑洞的樣子

和在2019年被人類第一個拍到的黑洞照片

還真的相當(dāng)?shù)仡愃疲ㄓ遥?/p>

一部可以被稱為經(jīng)典的電影應(yīng)該擁有優(yōu)秀的畫面、富有風(fēng)格的對話和深刻的內(nèi)涵。而在畫面以及音效這一項，《星際穿越》可以說是近十年來最優(yōu)秀的一部作品。至少，在這部電影上映后時間過去快六年的現(xiàn)在，我認(rèn)為還沒有哪一部科幻電影能在畫面和背景音樂的把控上超越它。2談一點物理這是一部關(guān)于星際旅行的電影，并且涉及到了許多關(guān)于時空、引力和黑洞的內(nèi)容。這幾個概念，都是近代物理學(xué)的核心話題，也是二十世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦所創(chuàng)立的理論——廣義相對論中的研究對象。當(dāng)然，這是一部電影，不是物理教科書。更何況，廣義相對論的內(nèi)容對非大學(xué)物理系學(xué)生來說，根本就是天書。而且即使是物理系學(xué)生，要真正了解廣義相對論，也需要非常堅實的微分幾何（Differential Geometry）和宇宙學(xué)（Cosmology）的理論基礎(chǔ)。為此，電影中根本沒有深入討論這些內(nèi)容，我也不準(zhǔn)備這樣做（筆者也沒這水平啊，唉）。在此，我只想澄清幾個概念，并且理清它們在電影中的作用。

時空幾何

從古希臘、到牛頓時代，再到后來的量子力學(xué)的建造，人們從來沒想過把物理學(xué)與幾何（Geometry）如此緊密地聯(lián)系在一起。而愛因斯坦提出，物理其實就是幾何。為此，廣義相對論便是建立在物理學(xué)幾何化的基礎(chǔ)之上的。何為幾何 說白了，幾何就是描述一些空間中的基礎(chǔ)元素：點，線，面，角，三角形，圓，等等。古希臘的時候，歐幾里得所創(chuàng)立的歐式幾何被稱為數(shù)學(xué)公理（axioms）化的鼻祖，而他的所有推理便是建立在關(guān)于點線面角這幾個基本元素的公理之上。到了近現(xiàn)代，微分幾何（Differential Geometry）的出現(xiàn)使得幾何可以以更加數(shù)學(xué)化的形式表達(dá)出來。這也是微分幾何對于廣義相對論如此重要的原因。而這和我們生活的世界有什么關(guān)系呢

我們生活的世界，其實就一個四維時空中嵌入的三維幾何。如何理解這句話呢 好比三維世界中的一個球，它的球面是一個二維的幾何（在此，“二維”意指需要兩個坐標(biāo)便能確定球面上一點的位置，多數(shù)時候使用經(jīng)度和緯度）。但若沒有這個三維的球體，我們無法描述這個二維的球面。大家都知道，我們生活的世界是三維的，所以，我們可以假想，必定還有另外一個維度的存在，使得這個幾何有意義。而這第四個維度，便是時間（time）。于是，時空（Spacetime）的概念出現(xiàn)了。我們可以用一組坐標(biāo)（稱為4-vector）來描述一個事件在四維時空中的位置，即時間+空間中的三個坐標(biāo)。很有意思的一點是，我們可以在空間中進(jìn)退自如，卻無法逆流時間。這也正是這個第四個維度的特殊性。而在電影的高潮部分，Cooper跌入五維時空，時間，便成了他所處的四維幾何中的一個平凡部分。就好像我們能隨意在一個地點前進(jìn)和后退一樣，他也能夠隨意地在時間上來去自如。蟲洞和黑洞

首先，這是兩個毫無關(guān)聯(lián)的概念。前者是一個特殊的測度（metric），而后者是史瓦西測度（Schwarzschild Metric）的一個特殊臨界點。我將一一解釋以上詞匯。首先，什么是測度 之前提到過，幾何的描述需要一些基本元素，而在微分幾何中，最基本的元素便是line segment。這是用坐標(biāo)的微分形式來描述這個幾何中兩點間的最短距離。例如，在我們的日常生活中，平面空間（Flat Space Metric）就足以了：▼而蟲洞，則是一個特殊的扭曲時空。其表達(dá)形式如下：

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如果沒有b，那么這個測度和上面的的平面測度是完全一樣的形式（除了單位的變換，在廣義相對論中，經(jīng)常設(shè)定光速為無單位的常數(shù)1），只不過處在極坐標(biāo)系下。然而，這個奇怪的參數(shù)b的引入使得在空間中兩個離得非常遠(yuǎn)的點通過一個路徑連接到了一起。一張直觀的圖可以表達(dá)它的意義：

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在電影中多次提到了“they”放置在土星附近的那個蟲洞（Wormhole），才得以讓Cooper一行人在短時間內(nèi)穿越到了很遠(yuǎn)的地方。關(guān)于黑洞，首先不得不提的便是史瓦西測度：

▼

這種測度描繪出了一個球形星體外的幾何。其中，M為星體的質(zhì)量，而r為到球心的距離。我們太陽系所處的也為史瓦西測度幾何，但由于太陽的質(zhì)量相對于黑洞的質(zhì)量還太小，便在多數(shù)時候，就作為平面空間來處理了。數(shù)學(xué)上很容易證明，當(dāng)星體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑洞的質(zhì)量的時候，史瓦西測度便成為了平面測度。不難發(fā)現(xiàn)，這其中的一項在r=2M時便成為了無意義（分母不能為0），這便是黑洞的表面的臨界距離。進(jìn)入這個表面后，所有的物理規(guī)律會發(fā)生變化。由于相對論之處，在任何一個參照系下光速都是不變的，而在黑洞內(nèi)，光無法逃逸，則許多物理規(guī)律需要重新被考慮。黑洞也是現(xiàn)在物理學(xué)中一個非常重要的研究對象。有人說，如果人類完全破解了黑洞，那么物理學(xué)離大一統(tǒng)理論便又近了一步。▼

在Krusal-Szekeres coordinates下的時空圖

可以發(fā)現(xiàn)

在進(jìn)入黑洞的臨界表面（horizon）后

光錐無法再向外射出光來

這也是光無法逃逸的原因

電影中出現(xiàn)的這些現(xiàn)象，都在物理學(xué)上有著不錯的解釋。我在這里稍微普及一下背景知識，如果有了這些知識，觀看這部電影，就會容易很多。

3永恒不變的核心——愛回到電影。這是一部好萊塢電影，而且是諾蘭這一位好萊塢的典型傳統(tǒng)導(dǎo)演的作品，其核心內(nèi)涵必定是亙古不變的愛。這部電影，人物并不多，其主要人物基本貫穿了全片。而主要人物中，三組人呈現(xiàn)出了不同的愛：Cooper與Murph互相相信彼此的愛、Brand博士的父親對女兒通過善意的謊言傾注出的父愛，以及Brand博士和愛人之間的愛情。Cooper與女兒之間的感情體現(xiàn)在他們彼此的信任上。從電影的開始，Cooper就帶著女兒走南闖北，并且交給她許多機(jī)械讓她操作，儼然把女兒當(dāng)成了自己的助手。后來，Cooper走后，他和女兒的關(guān)系破裂。他離開地球的時候告訴女兒，當(dāng)女兒長到他這個年齡的時候，就是他從宇宙中歸來的日子。然而，那一天真的來臨，不僅Cooper沒回來，女兒還從老教授那里得知了這其實是一個無解的謎題的真相。女兒繼承了老教授的衣缽，繼續(xù)研究引力。在另一邊，Cooper一行人繼續(xù)在太空中探索。影片的高潮部分，Cooper落入五維時空（是的，不得不在此提起這一部分，因為它實在太經(jīng)典了），他發(fā)現(xiàn)自己可以通過引力改變那只自己送給Murph的手表的秒針的振動，從而傳遞給女兒信息。當(dāng)時，人工智能詢問Cooper : “你怎么知道她會拿起那只表呢 ”這時候，Cooper冷靜地回答道：“因為我把那只表給了她。”▼

▼這種存在于父女之間的愛，超越時間和空間，通過引力相連。許多人說，最終拯救世界的是愛，但，更有人開玩笑說，拯救世界的是引力。當(dāng)然，從電影的角度來看，父愛和引力缺一不可。父親與女兒之間的信任，通過引力傳播，達(dá)到彼此的心中。說起其他二組人物，就不得不提起電影的另一位角色Brand。安妮·海瑟薇飾演的Brand，完美詮釋出了一位感性而又不缺乏智慧的女性形象。她的父親Brand教授（由邁克爾·凱恩飾演，諾蘭的金牌老演員）是Cooper的老師，所以兩人也算有些交往。在片中，當(dāng)時在從第一個星球離開后，幾位宇航員一起討論下一個前往的星球是哪個的時候，Brand提議了未發(fā)出信號但上面有著她愛人的星球。而Cooper和其他幾人則提議前往一直能夠持續(xù)收到信號的另一個星球。能收到信號代表上面有拉撒路計劃的第一批宇航員，而他們當(dāng)時的燃料已經(jīng)不足以前往兩個星球。當(dāng)時，Cooper問Brand,她究竟為什么執(zhí)意要去她愛人所在的星球的時候，Brand這樣回答：▼這個回答自然不會被Cooper等人接受，為此他們選擇了另外一個星球。而電影后面的劇情告訴我們，另外一個星球不適合人類生存，而等待他們的是一位喪失了信心的宇航員。這句話，在當(dāng)時看來，似乎有些Brand在鬧情緒的感覺；但如果反觀最后Cooper在五維時空中和女兒超越時間的交流，Brand的這句話正描繪出了她和愛人之間的感情紐帶。而最后一組，老教授和她的女兒。老教授早就知道尋找到新的適合居住的星球再帶人類移民是不現(xiàn)實的舉措，便安插了第二個計劃——基因炸彈。幾億個攜帶著人類基因的受精卵被冷凍起來，帶到新的星球去孵化、成長。而冥冥之中，老教授把這個任務(wù)交給了他唯一的女兒，也就是Brand，這也是他對女兒父愛的體現(xiàn)。影片最后，Brand登上了愛人所在的星球，發(fā)現(xiàn)那里適合人類居住，并開始了基因炸彈計劃。她已經(jīng)在那里安營扎寨，眺望星空啦。而Brand和Cooper兩人之間的微妙關(guān)系，影片沒有給太多的解答。然而通過片尾Cooper和比自己大了將近70歲的女兒的談話，我們可以發(fā)現(xiàn)，Murph似乎在暗示他和Brand之間將會發(fā)生些什么。最后的開放式鏡頭也是本片的一大亮點。導(dǎo)演把它留給觀眾自己去思考去想象了。之前就說過，克里斯托弗·諾蘭是一位傳統(tǒng)的導(dǎo)演。他的電影，雖然充滿著各種新奇的想法和宏大的科技，但核心價值觀，卻是十分傳統(tǒng)的家庭和愛。在當(dāng)今文化和潮流都十分混亂的好萊塢，這樣一位導(dǎo)演實屬特別，也十分難得。他的電影，從《黑暗騎士》到《盜夢空間》，從《星際穿越》到《敦刻爾克》，全都充滿著正義、歸家和愛的主旋律。他也是被稱為能把商業(yè)和藝術(shù)完美結(jié)合在一起的第一人。4寫在最后從《星際穿越》上映到現(xiàn)在，才過了差不多短短六年。都說，時間是檢驗一個藝術(shù)品是否為經(jīng)典的唯一標(biāo)準(zhǔn)。只有經(jīng)過了時間的洗滌，一部電影才能被稱為“經(jīng)典”。從這個角度來講，《星際穿越》還無法被稱為經(jīng)典。然而，這部電影，既描述了宏大的宇宙，又刻畫了人與人之間細(xì)膩的情感；既擁有了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，又不失人文的情操。這讓我想起了杜甫的那首著名的《登岳陽樓》：昔聞洞庭水，今上岳陽樓。吳楚東南坼，乾坤日夜浮。親朋無一字，老病有孤舟。戎馬關(guān)山北，憑軒涕自流。岳陽樓上看到的洞庭湖，是那么的宏偉和壯觀，而杜甫心中的情感，卻又是那么的細(xì)膩和渺小。將無比巨大的事物與十分細(xì)小的人類情感完美結(jié)合在一起，杜甫和克里斯托弗·諾蘭這兩位大師，所做之事似乎并無太大差別。如今，在這個21世紀(jì)才過了五分之一之時，我想大膽地預(yù)言，如果下個世紀(jì)評出了一份什么《21世紀(jì)最偉大的電影清單》的話，克里斯托弗·諾蘭的《星際穿越》必當(dāng)位列其中。References

Hartle,James B,Gravity: AnIntroduction to Einstein’s General Relativity, Pearson Education Inc., 2003《星際穿越》劇情簡介：/video/BV19A411q7sB from=searchseid=3408475418426686936Black Hole Picture,https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/Black_hole_-_Messier_87_crop_max_res.jpg

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