科学家如何吐槽《星际穿越》中的科学问题？( 二 ) _小知识

并不存在的行星
片中的3颗行星里有一颗（Miller的行星）以非常近的距离绕黑洞（片中名称为Gargantua ，即卡冈都亚，拉伯雷的代表作《巨人传》中的贪食巨人）进行轨道运行，这距离近到会产生很强的相对论效应（relativistic effects），与远距离的观察相比，在接近黑洞时时间会变慢（这是真的），所以这颗行星上的一小时相当于地球上的七年。于是问题就来了：要达到如此巨大的时间膨胀（time dilation），大约60,000倍，需要紧贴着黑洞表面运行，注意，一定是要“紧贴着”才行，实际上差不多是“漂”在黑洞表面上。但基于黑洞扭曲空间的方式，绕黑洞表面运动的稳定轨道的最小值必须至少是黑洞本身大小的3倍。在这样的距离上，钟表是会比地球走得慢一点，但这个幅度不会超过20% 。
换句话说，对于一颗拥有片中所说的巨大时间膨胀的行星而言，它距离黑洞表面太近以至于根本无法形成稳定轨道，只能“咻！”的一下被吸进黑洞里了。
当然，作为科学家普莱特本人也认为这么说是不够严谨的，他的这套理论仅当“卡冈都亚”是非旋转式黑洞（nonrotating black hole）时才成立。而当黑洞快速旋转时情况就有很大不同了，高速旋转着的黑洞周围的时空都会发生很大改变，是有可能产生如片中所述之巨大的时间膨胀，并沿如此近的稳定轨道运行的，所以也并非完全不可能。只是片中似乎并未阐明“卡冈都亚”的性质。如果依照电影中对该黑洞的描述来假设，卡冈都亚大概是一个恒星质量黑洞（stellar-mass black hole），那么它的质量应大约是太阳质量的10倍。但只有当这个黑洞的质量是太阳质量的一亿倍，即超大质量黑洞（supermassive black hole），这种黑洞是存在于星系的中心的，我们的银河系中就有，但银河系中的这个只有太阳质量的430万倍），电影中出现的情况才是可能的。
另外，片中的巨浪也是有问题的。该行星的一侧比另一侧距离黑洞表面要近得多，而我们知道引力会随着距离而改变，距离引力源越远，受到的引力就越小。贯穿该行星直径从其一端到达另一端，黑洞对行星的引力的变化将会是非常巨大的，这种变化所产生的潮汐力会由于接近黑洞而大到足以拉伸扭曲这颗行星，应该是足以将其撕碎并汽化的程度。所以，即便这颗行星不会因为稳定轨道的问题掉入黑洞，也会被巨大的潮汐力压成气体形态。从两边说，主角们登上的都是一颗“不可能行星” 。
然而在电影中， 3位探索者登上该行星后发现其表面被大量的水覆盖，并定期产生巨大、横扫整个星球表面的潮汐。片中完全没有针对这一点做出解释，所以普莱特假设这种现象是由于黑洞产生的，但他本人发现这种假设也是解释不通的。如此接近黑洞而未被汽化的行星应该是被潮汐力锁定的，永远有一面朝着黑洞。应该会有巨大的指向或避开黑洞方向的潮汐隆起，但不应该是在行星表面来回进行相对运动，也就是说，不应该有浪出现。
潮汐是由黑洞的质量和旋转、行星与黑洞的距离以及行星的大小决定的。普莱特已经征求了一些天体物理学家的意见，他们都认为卡冈都亚产生的潮汐力应该足够摧毁这颗行星了，但这其中的数学原理还不够清晰，截至本文完成时科学家们还在试图用数学证据支持这一点，所以普莱特关于潮汐力的观点是否完全正确尚待考证，普莱特只能说他认为是这样的。但介于在卡冈都亚的性质问题尚有不清晰之处，普莱特认为他关于潮汐力的观点尚有被推翻的可能。

科学家如何吐槽《星际穿越》中的科学问题？( 二 )

猜你喜欢