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从《星际穿越》到高维空间
飘雨青   
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【摘要】当你忽然来到了三维空间,有了“高”这个维度参数之后,你恍然发现原来苹果是这样子的,那时你就犹如看到了“高”这个维度的实体。

看过《星际穿越》的朋友,估计都会有种不一样的感觉。例如,有人会问这电影到底是在讲什么的呢?其实很多人都明白该电影是用了亲情作为了故事的线索,因地球环境破坏而外出寻找新家园(当然这是个谎言)作为起因,引出人类的星际穿越。

那么,问题来了,那个虫洞到底是谁建造的呢?

对于这个答案,相信有人已经知道了,没错,就是人类,未来的人类。(对于这个设定,可以参照一部经典科幻小说《星丛》,这部小说同样简述类似的故事,不过着重点在于挽救宇宙。)。

接着,第二个问题又来了,为什么未来人类建造的虫洞会出现在现代(主角现在所处的时代)?在解释这个问题的时候,我们先理解一下四维空间和五维空间。

由于未来人破解了引力方程式,找到了四维空间和五维空间的联系,然后有了理论体系之后就开始发展相应科技,建造出来了五维空间。说到这,就先说一下四维空间和五维空间是什么。

所谓的四维空间是指我们现在所处的空间。其实在经典力学统治阶段,我们一直认为我们所处的空间是三维空间,以牛顿以首的科学家认为时间和空间是绝对的,即他们之间是单独存在,没有任何联系。随着爱因斯坦的相对论问世后,空间和时间由原来的单独存在的关系,成为了相互相成的关系,时间和空间的有机结合构成了我们所处的四维空间。

至于五维空间,那就是在四维空间上多了一维,可是怎么多上一维呢?

我们都清楚,在数学上我们有学过点线面和体,点成线,线成面,面成体。而这里的点线面和体就分别对应零维,一维,二维和三维,在三维空间上加上一维就成了四维空间。那么怎么理解这个四维空间呢?这样子说吧,当将一个三维立体从一个地方移动到另一个地方,然后用线条将两个地方的影像连接起来,将中间过程通过实线来实体化后,就形成了四维空间。我们在现实中无时无刻不做着如此类似的运动,无论是上下运动还是水平运动,我们都在三维空间中移动,在四维空间中流淌,这也为什么会说我们所处的世界是四维空间了。

那么五维空间呢?

我们现在处于四维空间,但是我们无法感知到时间的存在,时间就像是幽灵般飘忽在我们周围。朱自清的《匆匆》说得好,“洗手的时候,日子从水盆里过去;吃饭的时候,日子从饭碗里过去;默默时,便从凝然的双眼前过去。”可是到了五维空间,我们就可以看到时间以实质体的形式呈现在我们面前。

为什么五维空间中的我们会看到时间是实体?

说个比如吧,假如一张二维相片中的你平日里一直生活在二维平面内(即相片内),可是突然,我用一个苹果砸在你所在的那个相片上面,而你只是能看到苹果和相片相接触的那个平面,而你无法看得到苹果的全身。当你忽然来到了三维空间,有了“高”这个维度参数之后,你恍然发现原来苹果是这样子的,那时你就犹如看到了“高”这个维度的实体。

说到这里,我们回到五维空间的解释上面。五维空间就是在四维空间的基础上多上了一维,那这一维度如何体现呢?到了这里,我们已经有点无法理解了,因为我们已经无法用长宽高和时间来描述。其实,只要当我们利用数学解题的整体看待手段来处理一下,我们就会得到了一个很好的理解。

那如何整体看待呢?

很简单,你将四维空间叠放起来,例如,我们理解四维空间的时候是两个三维立体移动过程中影像相连,现在我们扩大空间尺度,将两个三维立体比喻成一个点,然后两点成线(两个立方体在两个地方,然后用线条连接),但是两点成线是建立在一个方向上的。于是,当你在此基础上发展另一个方向上的四维空间时,你就构成了一个五维空间。这就是为什么,在《星际穿越》的末尾时,主角进入的那个五维空间会是那样子的错综复杂了。

主角为什么可以进入五维空间呢?

在这里先解释一下虫洞。虫洞,还有一个名称,那就是爱因斯坦罗森桥,是为了纪念阿尔伯特·爱因斯坦和纳森·罗森两名科学家。爱因斯坦和罗森于1930年在研究引力场方程时提出假设,假设认为透过虫洞来实现瞬时间的空间转移或时间旅行。理论上,虫洞是连接白洞和黑洞的通道,这条通道无处不在,可是却随着白洞和黑洞的蒸发而随之消逝。

尽管人类对黑洞的认知依旧停留在理论上,目前所取得的成就都只是在理论计算和天文探测上所取得的,还没到实地考察与研究阶段,但是这并不影响黑洞在我们人类心中的重要位置,例如瑞典皇家科学院将2020年度诺贝尔物理学奖授予给三位在黑洞中取得重要成就的科学家,便是一个很好的证明。至于人类对白洞的了解比之黑洞更少,因为理论上白洞存在的时间更短,人类难以通过天文望远镜等探测技术发现,如果未来有朝一日某位科学家发现了白洞的存在,恐怕他也很大可能摘得年度诺贝尔物理学奖。

说远了,我们还是回到本来的话题吧。

正如前面所提到的,虫洞或者说爱因斯坦罗森桥是实现瞬时间的空间转移或时间旅行的途径,那么虫洞又是如何存在的?或者说,虫洞怎么制造?简单地说,虫洞是时空极度扭曲的现象,而黑洞周边的空间正好是扭曲的,符合虫洞的存在特点,那么我们可以进行推测,黑洞可以制造出理论上的虫洞,只要物体能够脱离黑洞的束缚,例如主角利用飞船强大的推力脱离黑洞的视界,就有可能进入虫洞,从而穿越时空进入其他时空,例如五维空间。当然,掌握了黑洞技术,我们人类也可以制造人造黑洞,进而制造人造虫洞。

现在回到了第二个问题,为什么未来人建造的虫洞会出现在现代呢?

因为主角的女儿破译了引力方程式,有了发展五维空间技术的理论基础,人类就可以将五维空间技术研制出来,其中电影末尾出现的农场便是最好的证明。掌握了五维空间技术的人类,就意味着可以其自身拥有了掌控时间的能力。他们结合自身成熟的黑洞技术等制造人造虫洞,然后通过自身掌握时间的能力,他们便可以将某种物体(例如影像中的虫洞)送回到过去(即主角所在的那个时代)。

女儿一直深信着自己的父亲会回来,于是便利用五维空间技术打通了一条连接两个四维空间的通道即虫洞,同时打造一个五维空间(这就是为什么主角进入的五维空间只是关于他女儿的原因,因为这是他女儿为他而打造的),帮助主角找到回家的路,也就引发了一场精彩的时间之旅。

说到这里,或许有人会疑惑,女儿所制造出来的虫洞为何如此巧合地接入主角所在的时间线,神奇般地成为了主角完成自我救赎的重要机会呢?其实简单地说,主角由于跌落黑洞所形成的天然虫洞,进入五维空间,进而困在五维空间无法脱身。他在五维空间中又巧遇女儿所在的时间线,从而在五维空间中提醒女儿破译引力方程式,最终帮助他摆脱五维空间的束缚。

想着想着,我们会发现一个问题,前面提到五维空间是女儿制造出来的,这在逻辑上是否存在一个问题?其实这可以说得通,那就是主角本来在毫无防御措施之下跌落黑洞,很大程度上是会被黑洞强大的引力撕碎,就算他真的进入黑洞形成的自然虫洞,他依旧会死亡,死亡的原因可能是被强大的辐射能照射等。女儿为了挽救自己的父亲,制造出五维空间并在父亲跌落黑洞之后引领他进入,从意识和肉体上引领父亲进入五维空间,只要保证五维空间的条件适宜人类生存,父亲是可以生存下来的。只要确保父亲的意识和肉体还在,女儿就可以通过技术将他重新引出虫洞,从而让父亲再度回到人类世界并被获救。

故事往往都会充满奇幻色彩,我们会感叹命运,会觉得冥冥之中自有定数,可是,命运很多时候都取决于自身的选择。如果你选择安逸,你将体会不到搏击风浪的激情;如果你选择奋斗,你将可能改变自身命运,创造自我的价值,从而在历史的篇章中书写属于自己的人生。

-完-
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从《星际穿越》到高维空间
飘雨青

学校:肇庆学院

学历:本科

专业:环境工程

职业:环境工程师

评委点评 评语汇总

由科幻电影中的话题延伸开来,介绍前沿科学理论和相关知识,幻想与科学交织,亦高高放飞了想象力,给人以新的启迪。

2020-11-09 23:43 匿名 ——

文章借电影《星际穿越》对高维空间及虫洞进行了科普,将较为复杂抽象的概念用较为易理解的语言进行描述,是一篇很好的科普文章。

2020-11-09 01:03 匿名 ——

星际穿越和虫洞技术一直是近几十年来天文学家、人类学家、科幻作者最感兴趣的话题之一,本文运用电影故事的时间线结合现代理论物理学的知识较清晰地阐述了四维空间和五维空间的基本知识,层层推理,逻辑较严密,语言流畅故事性也强,是不错的科普文章,并且在文章的最后运用了散文的手法把严谨的科普著述进行了思想上的升华。

2020-10-27 22:11 匿名 ——

本篇文章有条有理逻辑清晰,透彻明白地为我们解释了关于高维空间的理解,同时也对电影《星际穿越》中的场景进行了通俗剖析。在科学性上,作者关于黑洞等的解释通俗且耐人寻味。但是在文学创作上,作者缺少才思发挥,从而使整个内容生动性上流于一般。但是文末作者进行了很好的总结升华,给人启迪!总体来看,这是一篇不错的科普文章!

2020-10-19 20:17 匿名 ——

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