3、星际穿越设定解析 搬运 ...
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搬运自：改之理zcw
本来没计划写一篇解密的文章，不过看到网上不靠谱的太多了，又因为花了很长时间看了索恩的那本《星际穿越中的科学》，所以还是写一写吧。
首先，忘掉影院翻译的“五维空间”，千万别再说五维空间了，人家不是五维空间，而是五维时空。
五维时空是什么东西？我们能感知的宇宙是四维时空，五维时空比我们多了一个空间的维度。
想象时空是弯曲的（如果不是弯曲的，你在《星际穿越》里看到的绝大多数物理现象都没有了），一个平面如果弯曲，必须是在一个立体的空间里边，不然因为弯曲而带来的凹凸是什么呢？四维的时空是弯曲的，必然也在一个更高维的超宇宙中。
这是一个想象，或许真的有五维时空的超宇宙，我们的宇宙只是其中一个弯曲的膜，也或许没有，只是便于我们想象。但是千万别再说五维空间了，这个电影里的设定是五维时空。
其次，这部片子广相和黑洞的大牛索恩参与的非常深入，所以挑错的人要注意了，千万不要被大脸。索恩这个人有强迫症，他保证没有特殊理由电影里设定的合理性，这就如同你看一部基于“理性预期”的电影，你开始狂喷，但是这个电影的创作者是小罗伯特卢卡斯[1]……
是啊，潮汐力为啥没有撕裂第一个星球，为什么那里浪能这么高，为什么吸积盘没有考虑多普勒效应，黑洞的引力能不能足够大以至于时间减缓到这个程度，为什么主角在跌入视界之后没有等到被潮汐力撕裂就撞上了一个奇点……这些东西的都是可能的。
为什么你们认为不可能的东西，而索恩都能给说圆了？
因为你们的思路不同。
你们的思路是：这种事情的发生需要太苛刻的条件，所以它们不可能发生。
索恩的思路是：假设这种事情发生了，我们来看看它需要满足什么苛刻的条件。【这是很好的编剧思维】
这个思路其实从索恩第一次想虫洞和时空旅行的时候就表现出来了。当时卡尔萨根将《接触》的朱迪福斯特通过黑洞送往了天琴座，索恩告诉他，黑洞不可能，虫洞倒是可能，但是虫洞是不稳定的，所以也不可能。然而后来他换了一种思路：假设有一个神级文明，没有任何技术限制，唯一的限制就是自然规律，他们怎么实现虫洞的打开和稳定？这个思路其实就是“假设这种事情发生了，我们来看看它需要满足什么苛刻的条件。”
在《星际穿越》的拍摄中，诺兰经常为了叙事的需要坚持某种设定，例如时间的延缓是该星球的一小时等于地球的七年。索恩一开始的态度是不行不行，这个做不到，然而他回去又算了算，发现假如黑洞的转速达到非常非常接近所能允许的最大转速（这个时候在视界上随着黑洞旋转的像非常非常接近光速），诺兰需要的条件就达到了；再比如，为了保证这个星球不被潮汐力撕裂，黑洞的质量被设定的足够大，是我们太阳的100billion倍（而你拿太阳的质量带进入算肯定不对）；还有引力引力弹弓所需要的星体和位置，竟然全部都能够满足。
这些可能吗？
可能。
虽然也许太苛刻，但是科学上是可能的。
所以这部电影遵循了两条规则：
1、所有事件都遵循现有的科学理论；
2、所有超过现有科学理论的部分都是合理的推测（不和现有理论冲突）。
作为科幻片，诺兰也有一些自己的设定，这些设定就和《盗梦空间》一样，遵循清晰的准则。
3、所有四维时空（三维空间）存在的物质，从人体到光，都无法逆时间维度而变化（不能回到过去）；
4、引力波可以逆时间维度而变化（可以回到过去）。
这两个设定有趣在哪里？在于他给人绝望又给你希望。太绝望了不愿意看，太有希望了也没劲，如果观众一开始就期待，反正一切可以通过穿越时空解决，他们一点也紧张不起来；太绝望了，紧张了半天，心情得不到舒缓。
这里边的微妙，需要仔细掂量。想想《盗梦空间》的设定：
a、在梦中被杀死的人会醒来；
b、但是服用了高强度催眠剂的人不会醒来，而是跌入limbo；
c、在limbo的人会迷失自己，忘掉蒙和现实的区别，最终成为傻逼。只有意识到这是梦境并主动杀死自己的人才能回来。
一样遵循这个原则：假如死了就会醒来，成本太低了，观众紧张不起来，所以必须找个借口让他们死了醒不来；而这个醒不来又不能太绝望，毕竟大部分商业片的观众不希望主角最后变成疯子或者痴呆。
好吧，前言说完了，开始从头解析剧情吧。
这个解析主要是基于索恩的解释，但是很多地方都是暧昧的，索恩只是提到了一种解释，还有更多的解释我也没看懂，尤其是结尾的超立方体。所以里边也有我个人的解析，这个解析的关键不是多么科学，而是能把剧情中的问题给说圆了。
在近未来，植物纷纷患上了“枯萎病”。枯萎病其实在现在也有，但是现在的枯萎病，致死率强的一般只针对某一种植物；针对所有植物的则致死率不强，在近未来的枯萎病则既有很强的致死率，也有很大的传染性，所以人类面临了灾难。例如植物的死亡破坏了原有的碳平衡，再例如没有植物保持水土，沙尘暴肆虐。
渐渐的，人们发现，通过生物技术无法阻止枯萎病（我也不知道为啥，总得为去太空找个理由吧），所以开始考虑太空移民。然而以人类的技术，根本达不到。
某年，nasa开始观测到引力异常现象，尤其是土星附近的时空扭曲，他们逐渐意识到，那里有一个虫洞。
虫洞是不能自然存在的，因为它们极为不稳定，只能存在10的负多少次方秒，只有注入大量的能量为负的物质才能保持虫洞的存在（想象虫洞使得进入他的光发散，而质量弯曲光线，使得经过它的光聚合，所以只有质量为负的东西才能使光发散。当然这是想象，真正的结论在爱因斯坦方程里，这个打死我也看不懂，然而这个解析的目的是给每一个问题一个看似是答案的答案，所以就这么想象吧）。
所以nasa意识到这谁一个更高级的文明送给他们的，一个合理的外推就是，他们知道了地球的灾难，于是给他们创造了一条通往其他星系的生路（因此其他星系必然有适合人类居住的星球，送佛送到西嘛），于是在马特达蒙的带领下（马特达蒙的存在是这部片子的一个谜团，因为没有关于他的任何宣传，本来以为是个露一面的小角色，没想到戏份还很高），十多个科学家分头去探索虫洞对面的星系，如果找到适合人类居中的星球，就发送信号，如果找不到，就直接牺牲了。
这些科学家都是道德极为高尚的人。很久以后，他们收到了三个信号。
如果找到宜居的星球，有两种方式可以拯救人类这个种族：第一种当然就是全部人类一起移民；第二种是很小的几个人类移民，但是他们带着装有人类生殖细胞的试管，到了之后开始大规模繁衍人类，而在地球上的其他人就被抛弃了。一个有道德的科学家当然需要选择第一种方案，然而问题是如何利用现有的资源把如此多的人一起送过去。
迈克尔凯恩通过引力异常推测到是神级文明从更高维的宇宙向我们的膜宇宙发射了一种场，他们可以利用物理法则张开虫洞，使得他明白了利用量子引力的可能性，这种场甚至可以改变我们膜宇宙的引力常数G。所以基础物理学可以，也需要发展，以便获得全体移民的可能性。
迈克尔凯恩通过一个方程来描述物理定理，并与这些引力异常、与黑洞、与更高维的超宇宙相容，然而这个方程里的很多函数都只能是一个抽象函数，他需要猜测这些函数的具体形式，这很难。他猜测的结果在广义相对论和量子力学之间是不相容的。
黑洞的形成是广义相对论预言的，然而当质量集中到一个奇点，广义相对论就失效了，量子力学和广义相对论融合的奥秘，在奇点中，然而他无法观测奇点，也就得不到量子引力论的具体函数形式。
很多年之后，在收到三个具体信号之后，nasa决定派出新的探索队，然而这时候nasa已经今非昔比，连一个真正飞过的宇航员都没有。正在他们决定仓促出发的时候，马修麦康纳这个昔日nasa的优秀宇航员忽然找上门来了。
马修之所以找上门来是因为他们家卧室里的引力异常现象。他们家经常发生书自己掉落等现象（墨菲认为是书架里有个幽灵）。有时候还有拖拉机失灵现象发生。索恩认为拖拉机失灵是因为gps导航的失灵。
很多人说相对论这种东西离我们的生活太远，不能创造生产力，是物理学家自娱自乐，事实上gps是相对论应用的一大体现，由于地球引力带来的时间减缓对地面和卫星轨道是不同的，如果二者采取同一个时间，gps就会失灵，所以gps之所以这么灵，是根据广义相对论修正过时间的结果。而这次引力异常，使得gps不灵了。
后来，马修和墨菲发现这些引力异常是有目的的，他们发现引力把沙尘排列出摩斯电码，翻译出来是一个坐标，他们来到这个坐标（多么像《第三类接触》！），才知道这里是nasa。
nasa的人认为马修是神级文明选中并引导过来的，正好填补了他们宇航员的空缺，为了拯救人类马修当然上路了。
于是他们去往土星（为什么神级文明把虫洞放在土星，让人类花两年时间才过去？很简单，为了致敬《2001太空漫游》）。
飞船是十二个舱围绕一个中心的控制舱组成，这种设计可能有三种功效：
第一是减缓潮汐力；
第二是可以通过离心力模拟重力；
第三，这个飞船或许是在空间站或者太空船坞里分节建造的。
虫洞是三维空间扭曲而联通两个遥远地点的管道，想象一张纸扭曲，联通两点的管道是一个圆柱，这个圆柱是三维的，在二维空间每一个切面都是一个圆；虫洞是思维的超圆柱，在三维空间的每一个切面都是一个球。
马修麦康纳获得虫洞的知识来自于二维纸的类比，所以他一开始没有意识到这一点。
这个星系围绕一个巨大的黑洞旋转，黑洞的质量惊人，转速也很快，黑洞视界大概相当于地球绕太阳的轨道，黑洞旋转周围的瓦斯喷塑热和光，形成了巨大的吸积盘，为围绕周围的星球提供能量。吸积盘其实是平铺在赤道面的，但是由于黑洞对光的扭曲，我们同是在上面和下面看到了背面吸积盘的两个像，这让黑洞有点像《攻壳》里的笑脸男，我曾使用过的头像；为了不让观众太过迷惑，吸积盘的形状不能太过诡异，所以诺兰把黑洞的转速调低，并且忽略了多普勒效应。
第一个星球是个水星球，这个星球距离黑洞视界非常非常近，时间的扭曲也非常厉害，必须速战速决，然而他们没有预料到巨大的海浪。这些海浪在黑洞巨大潮汐力的作用下，铺天盖地的涌来（另一个解释是潮汐力虽然没有把星球撕裂，但是使得地质活动非常剧烈，形成巨大的海啸）耽误了很长时间，墨菲已经长大了。
在此过程中，黑人研究了黑洞，按照索恩的的设定，他是研究黑洞的震动，并且发现观测数据和模型的差异。但是更详细的数据还是需要观测奇点。
第二个星球是马特达蒙的星球，不要问我他为什么要杀死马修，我也没看明白，他到底是怕死还是要实施plan b？不过这哥们已经疯了，对接不成功就敢打开舱门，最后挂了。
在地球上，迈克尔凯恩死了，临死之前告诉墨菲他解出了方程，然而无法统一光相和量子力学，所以失败了。墨菲认为他对了一半，另一半需要通过研究奇点获得答案。墨菲的嫂子和侄子得了尘肺病，需要赶紧搬家，但那时墨菲的哥哥忽然疯了，打死也不让搬家，于是墨菲放火烧了哥哥的田地，调虎离山，赶紧接嫂子和侄子走，走之前去卧室书架前linger了一下。这一段和太空的平行剪辑，真的是很烂很烂。
在太空，马修成功对接了，然而飞船已经被黑洞的引力捕获，正在跌入视界之内，如何冲破视界，索恩讲了很多，但是诺兰认为观众肯定听不懂，所以他简化为“牛顿第三定律”。机器人（很多人说致敬2001的方碑，我觉得有点扯，其实诺兰只是看不惯拟人化的机器人（恐怖谷还是人类的自负？），创造了一个只考虑实用的机器人，这个机器人是可以作为飞船的一个部件插入的，有点像《星战》里的r2d2）。
为了帮助逃脱黑洞引力和探索奇点被发射，马修也选择了发射。
马修选择发射是因为黑人还是谁告诉他，这是一个温和的黑洞。黑洞中心的奇点非常凶残，但是后来科学家发现，其实黑洞里还有两个奇点，一个奇点是在你之前跌入黑洞的物质压成的，还有一个就是在你之后跌入黑洞的物质压成的，这两个奇点形成的速度非常快，以至于潮汐力还没有涨到无穷大，你就与他相遇了，在相遇的时候，你受到的潮汐力是有限的数，虽然这一点的导数是无穷的。
这个设定又是索恩式的思路，这有可能吗？科学上是有可能的，虽然可能性太低了，但是它起码没有违背科学。所以马修跌入了奇点。
跌入奇点之后就是诺兰兄弟的脑洞了。由于奇点是未知的，他们可以随便想，索恩说只要不拍地狱和撒旦就行了。于是这俩兄弟弄出来一个超立方体。
这个超立方体，是本片最大的亮点，也是最大的谜团。我也没有想明白。
有两种可能：
第一，这是一个真实的高维时空在我们宇宙的切面；
第二，这是未来人类为马修做的一个操作系统，正如同你的数据在硬盘并不是存放在一个文件夹之内的一个文件夹，只是为了便于你操作而画出来文件夹一样，这玩意也是便于马修操作引力造出来的。
总之未来的人类在奇点里放了一个超立方体。按照弟弟的说法，超立方体使得马修从我们的宇宙中抽离出来了，就像把一个立方体放在二维的平面上，一个二维的小人进入了这个立方体，随着这个立方体的运动，他进入了一个更高的维度。
但是由于他是一个二维的人，他看不到更高的维度，只能看到更高维度在地位的切面，例如，他看到无穷多的平面，正如马修看到无穷的空间。
超宇宙和我们宇宙的不同在于，由于时空的扭曲，超宇宙运动一段路程远远小于我们，所以在没有超光速的情况下，超立方体带着马修回到了地球，并对接到马修女儿的卧室。然而这个卧室呈现给马修的，是无穷的空间。
假设你是二维的马修，你被超立方体带来了二维女儿的房间，你看到的女儿的房间仍然是二维的，只不过你可以上下移动了，所以你会看到无穷个二维的女儿的房间，假设时空是三维的，那么就有无穷个女儿的房间沿着z轴排列，从而组成这个立方体，这个z轴，就是时间轴。
超立方体也是这样，不同的是，这时候切面不是二维的，而是一个三维空间，无穷的三维空间组成了一个立体像棋盘，里边有无数纵横交错的三维长条。这些长条是一个立方体不断向六个方向延伸形成的，这个延伸就是时间，这样就形成了无数个长条状的长方体。两个长方体相交的话，就组成了四面墙，再和第三个垂直于这两个长方体的长方体相交，就组成了六面樯，这六面樯的小房间，就是马修所在的地方。
注意，长方体以真实时间的速度运动，也就是对于马修来说，当他凝视一面墙，那面墙所代表的空间不断被下一秒所代表的空间替代，对于马修来说，他就可以看到一个运动的空间，这个空间的时间流逝和真实的世界是一样的。不同的是，在这里是下一个时间点的立方体替代上一个时间点的立方体。时间在这里实体化了。
按照诺兰的法则，马修无法突破这个实体化的维度，不能回到过去，光也不能。但是马修发现他努力拍墙面，樯对面的书会掉落。因为他改变了物体的时间线。一个时间线就是连接物体所有事件的线，把一个点在时间上的轨迹连接起来是一个时间线，把世界上所有点的时间轨迹连接起来就有无数条时间线，于是就有整个世界的时间线。
马修拍掉书的机理是：马修改变了书的时间线，于是改变了下一个要到来的立方体内书的位置，随着时间的流逝，下一个立方体到来，于是在马修看来，正是他拍掉了书。
马修之所以能够改变时间线，是因为引力波的存在，从人类到光都无法通过时间维度逆向而行，但是引力波可以。于是马修通过改变手表（本年度最佳植入广告，可惜太贵了买不起）指针的频率传递数据，女儿终于找到了函数的真正形式。
这个时候马修就被送到了土星轨道。按照电影的设定，超立方体的时间是不被减缓的。因此最后所有的时间减缓都在逃脱黑洞时产生，因此马修进入土星已经是好几十年后了，安妮海瑟薇其实也刚刚登陆。
然而这里有一个非常费解的问题：马修是如何被送回来的？为什么他送回来的时候会和过去的飞船相交，然而他的起点和终点都是未来？
一个可能的解释是，马修仍然被超立方体送到土星轨道，只不过送的时候不小心穿了一下虫洞，由于超立方体能够把时空分解成沿时间延伸的无数空间，在碰到虫洞的时候，也把他周围的时空分解了，所以未来的马修在未来超立方体分解未来的虫洞时，看到了过去他们飞船在过去虫洞飞行的像。
最后，为什么未来的人类要把马修放在土星轨道上？因为这里距离人类的太空站最近，可以最快的被人类解救。那么，为什么不直接把他放在人类的太空站？
这个问题其实和为什么把虫洞放在土星、为什么选中马修的女儿是一个问题，也和以下问题是一个问题：
如果没有数据就解不开方程，如果解不开方程就无法进化到未来人类，就无法回来帮助过去的人类，也就没有数据，那么这个循环就是无中生有的：就像未来的李白告诉过去的李白一首《将进酒》，而他之所以知道这首诗，是因为过去的李白写了，而过去的李白之所以写，是因为未来的李白告诉他了，那么这首诗到底是谁写的？
阿西莫夫《永恒的终结》是最早也是最深讨论这个问题的科幻小说。在那里，未来的人们为了不改变历史，拼命严格按照过去的历史行动，某人的回忆录里有和谁进行了什么谈话，他们就命令那个谁把谈话背下来，按回忆录记载的时间和他去谈，而如果回忆没有记载的人，一个都不许出现。
所以未来的人要改变过去，其实不是改变过去，而是严格按照过去，促成这个过去。对于两边的人类来说，都是宿命论。
当然从逻辑上来说有太多问题了。但你不是第一个发现这些问题的，也不会有可能解开这些问题（平行宇宙保持了逻辑上的自洽，但是太没劲了，平行宇宙是最没劲的！）
作者有话说
第3章 星际穿越设定解析
