米勒星球上的巨浪是怎麼來的?《星際效應》幕後的科學與想像

2015-06-10 16:47

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一堵超大巨浪往「漫遊者號」 當頭襲來。(擷自《星際效應》畫面,華納兄弟娛樂公司提供)

一堵超大巨浪往「漫遊者號」 當頭襲來。(擷自《星際效應》畫面,華納兄弟娛樂公司提供)

《星際效應》中太空梭穿越蟲洞和黑洞的畫面引人入勝,炫目的視覺與逼真的音效讓人身歷其境,感覺就像隨著主角一起進入浩瀚的星際世界。《星際效應》是一部根據確立的物理定律構想的科幻電影,也是第一部正確描述黑洞的好萊塢電影,由當代蟲洞大師、加州理工學院的教授索恩(Kip Thorne)擔任科學顧問,片中情景都是以人類實際會看見、體驗到的方式來呈現,可說是科學理論與電影工藝的完美結合。

這部電影根植於現實科學,位於人類知識的最前端,因此看完電影許多人都會問:蟲洞竟然不是洞,而是一個球體?為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?米勒的星球如此靠近「巨人」黑洞,為什麼不會被它吞噬?

電影上映半年後,《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》終於出了中譯本,索恩將片中艱澀的天文物理知識以淺顯易懂的文字娓娓道來,寫成普羅大眾都容易親近的幕後設定集。以下節錄部份書中內容:

庫柏和他的隊員首先探訪的行星是米勒的星球。這顆星球最令人印象深刻的,是時間極端減速、滔天巨浪和超強潮汐重力。

這三項彼此相關,起因在於星球和「巨人」相當靠近。

星球的軌道

按照我對《星際效應》相關科學所做的詮釋,米勒的星球就位於圖17.1 的藍圈位置,和「巨人」的視界靠得非常近。(參見第六章和第七章)

那裡的空間翹曲成類似圓柱表面的樣子。圖中的圓柱截面呈圓形,周長並不隨我們靠近或遠離「巨人」而有所改變。

事實上,當我們將略掉的次元加回去,截面就會變成球狀體,周長也不會隨我們靠近或遠離而有所改變。

那麼,這個位置和圓柱上的其他任何地點為什麼有所不同?

它的特別之處何在?

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圖17.1
從「體」觀看「巨人」周圍的翹曲空間。這是略去一個空間次元的景象。圖示還包括米勒星球的軌道和「永續號」的軌道(停駐在此等待隊員歸隊)。

答案的關鍵在於時間的翹曲作用。(這一點沒有在圖17.1 中呈現)「巨人」附近的時間會減慢流速。隨著我們離「巨人」的事件視界愈來愈近,時間減速作用也變得更為極端。

因此,根據愛因斯坦的時間翹曲定律(第四章),當我們靠近視界時,重力也隨之增長到超強的程度。圖17.2 的紅色曲線代表重力的強度,呈陡峭揚升。

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圖17.2
米勒的星球承受之重力和離心力。

相較之下,米勒的星球所承受的離心力(藍色曲線),變動坡度就比較和緩。

結果是,兩條曲線在兩處位置相交。當星球在這兩個交會點繞行「巨人」,向外的離心力和向內的重力就可以取得平衡內側平衡點上的星球運行軌道並不穩定。

如果星球被稍微向外推動(好比受到從旁掠過的彗星重力影響),離心力就會贏得這場比試,將星球進一步向外推離。

又如果星球是被向內推動,則重力會取勝,星球也就會被拉進「巨人」。這表示米勒的星球沒辦法在內側平衡點上長期存活下去。

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