星际穿越_《星际穿越》的物理学与大国玩法

星际穿越_《星际穿越》的物理学与大国玩法

　　正在热映的美国影片《星际穿越》，引发公众对理论物理学的兴趣。除了人们耳熟能详的黑洞，虫洞、五维时空这两个概念对许多人来说仍较陌生。

　　为此，记者采访了著名科普作家、中科院国家天文台客座研究员卞毓麟。

　　什么是虫洞

　　卞毓麟说，虫洞又称“爱因斯坦—罗森桥”，与黑洞一样，是广义相对论的推论。广义相对论的引力场方程，在不同情况下有不同的解，科学家对它们进行物理诠释，推测宇宙中存在黑洞、虫洞等事物。天文学家已掌握大量证据表明黑洞之存在，但至今尚未发现宇宙中存在虫洞—尽管它已在众多科幻片、奇幻片中登场，包括《星际穿越》、《来自星星的你》。可以说，虫洞是“星穿”剧的必备神器。

　　那什么是虫洞呢？打个比方，一张摊平的纸上有A、B两点，连接两点的最短距离是直线。有没有更短距离？当我们把这张纸卷起来，用笔把A点捅破，伸出去再把B点捅破，只要纸的卷曲度足够大，那么将A点与B点相连的距离就可以比平面上的直线距离更短，甚至短得多。究其原因，是先前的最短距离是对于二维平面来说的，而后来的更短距离利用了第三个维度。

　　这就说到了维度概念。我们生存于三维空间，这三维分别是长、宽、高。一张忽略厚度的纸则是二维的，即只有长度和宽度，没有高度。假设纸上有种“二维生物”，它们懂平面几何学，知道从A点到B点的最短距离是直线。然而有一天，一支空心的笔将卷曲的纸戳穿，把A、B两点连通，这就是二维世界的虫洞。“二维生物”发现它后，进入空心笔，从A 点到达B点，便完成了二维世界的“星际穿越”。

　　空间为何会弯曲

　　那么，四维时空是否会弯曲呢？从常识看，说空间会弯曲似乎是天方夜谭。然而，广义相对论告诉我们，大质量物体会引起时空弯曲。再次拿二维平面做类比，假设世界是一张拉平的橡皮膜，把一个大质量铅球放到膜上，橡皮膜便凹陷下去，出现明显的弯曲；原本在膜上做直线运动的高尔夫球到达这一区域，便会改变运动轨迹，在弯曲空间做曲线运动。

　　同样道理，大质量物体也会造成四维时空的弯曲。质量越大，弯曲程度越大，相关数据可用广义相对论的引力场方程算出来。在弯曲时空中，如果存在虫洞，人类进入后就可能完成“星际穿越”。影片中几名宇航员乘飞船在虫洞中只过了一会儿，就到达了另一个星系。

　　回到过去是否可能

　　虫洞不但是星际穿越的管道，还可能是“时间隧道”。实验已证明，在强引力场或高速运动状态下，时间流逝会变慢。卞毓麟解释说，如果A点和B点相距20光年，而虫洞让人用1年时间就从A点到达B点，那么他就超越了光速。比光运动得更快，使人能够“追”上已逝去的光景，重见早先的情形，也就是回到了过去。

　　卞毓麟表示，虫洞在自然界中是否存在，科学界尚无定论，至少目前还未发现虫洞存在的证据。通过虫洞能否回到过去，也是理论物理学界争论的一个问题。反对者提出“外祖父悖论”：如果一个人回到过去，在他母亲出生前杀死外祖父，娶了外祖母，那么他到底是谁？“回到过去会扰乱因果律，而人们相信因果律是这个世界的普遍规律。《星际穿越》中男主角看到了小时候的女儿和他争吵的场景，却无法改变他当时做出的决定，避免了"外祖父悖论"。”

　　《星际穿越》的大国玩法

　　通过国家航天机构的信息对比，可以看出，美国在太空航天领域研发和投入方面是当之无愧的第一大国。

　　在资金投入方面，NASA在2013年预算达177亿美元，这个数据可能比中国、欧洲、俄罗斯、日本、印度几个国家航空机构预算加起来的总额还要多。仅以NASA航天飞机项目为例，截止到2011年共耗费1960亿美元，比中国2014年全年1300多亿美元军费预算要高近50%。

　　拥有全球最领先的航空航天技术的美国，在全球民用航天竞争版图中遥遥领先。据相关统计信息显示，美国空间技术产业化已创造超2万亿美元的巨额利润。

　　美国拥有世界第一大航空航天企业（波音公司）、世界第三大航空航天企业（美国联合技术公司）、 世界三大航空发动机生产商中的两家（通用电气和普拉特·惠特尼）、世界最大的战斗机制造商（美国洛克希德·马丁公司），等等。

　　欧洲的航天航空产业也颇为发达。比如欧洲宇航防务集团公司EADS，持有空中客车100%股权，是仅次于波音公司的、全世界第二大航空航天及防务公司；英国航空航天系统公司BAE，为全球第五大航空航天企业、同属英国的罗尔斯—罗伊斯公司，是世界三大航空发动机厂家之一，GKN宇航公司则是全球航空航天复合材料和金属结构件制造的领导者。

　　还有，意大利的芬梅卡尼卡公司是世界前十大航空航天企业集团，主要进行飞机、直升机、卫星以及导弹系统、雷达等的设计和生产；法国赛峰集团麾下的斯奈克玛公司主营业务为航空器动力装置研制生产，承担世界最大商用运载火箭阿丽亚娜火箭设计和研制工作，该国的泰雷兹集团是欧洲第一大战斗系统生产集团，还有阿丽亚娜空间公司在发射地球同步轨道卫星方面处于世界领先地位，等等。

　　从探测范围看，目前人类星际探索最远的疆界是太阳系边缘。美国在这方面遥遥领先，深空足迹已基本遍布太阳系：“阿波罗号”载人登月，“尤利西斯”号，“起源”号探测太阳，“深空”号，“星云”号，“等高线”号探测彗星，“黎明”号探测小行星，“信使”号探测水星，“好奇号”登陆火星等。2013年NASA宣布1977年发射的“旅行者1号”正在离开太阳系，截至目前已飞离地球约177亿公里，这相当于4.6万个地月距离！

　　由于和美国合作密切，同为亚洲国家的日本星际探索能力也较为强大，基本和欧洲水平相当，同列第二梯度。日本2003年发射“隼鸟”号小行星探测器，在“丝川”小行星上成功采样，于2010年返回地球，实现了人类首次直接获得月球以外天体岩石样本。

　　中国正奋起直追，“嫦娥工程”目前已实现月球初步探测，“萤火一号火星探测”、“夸父太阳监测卫星”等月球以外的深空探测计划也提上议程。

　　中国启示：军民融合 必由之路

　　尽管“嫦娥”已上九天揽月，但中国的航空航天产业规模与欧美相比，可以说仅仅是刚刚起步。数据显示，目前中国航天产业收入仅占全球航天业收入的3%左右，与大国地位极不相符。

　　军民深度融合，是欧美等航空航天发达国家对中国太空航天工业最重要的启示。美国1993年宣布“国防转轨战略”，其核心就是大力发展军民两用技术，确立了军民技术融合的战略，美国国防部有专门的国防技术转移办公室，负责拟定技术转移和两用技术政策。NASA也有一套机制，会以较低的价格将非前沿技术予以转让，还会将许多业务外包给私营航天企业。

　　此前，中国载人航天工程新闻发言人曾披露，中国载人航天工程自1992年到2013年共花费390亿元。我们分析认为，此数据与2013年全国财政收入12.9万亿的水平相比，还有巨大增长空间。

　　来源：《21世纪经济报道》

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