今天是人類登月50週年紀念日，1969年7月20日，阿姆斯特朗將左腳小心翼翼地踏上了月球表面，這是人類第一次踏上月球。此後人類探索宇宙更遠的未知就從未停止，而人類想要到達更遙遠的星際，除了讓宇宙飛船飛的更快，科學家們想盡了辦法。

《星際穿越》

《星際穿越》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。

這部電影是在探索新世界和人性的信心的電影，聽起來像是科幻片的內容？

或許吧！

《星際穿越》的科學（The Science of Interstellar）

探索頻道特別節目《星際穿越》的科學（The Science of Interstellar）。《星際穿越》邀請到了物理學家基普·索恩擔任監製，涉及大量專業理論。本節目涵蓋了片中關鍵要素的科學和理論。諾蘭兄弟、製片人、包括索恩在內的眾多科學家紛紛露面。馬修·麥康納親自任解說。

這部電影根植於現實科學，位於人類知識的最前端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基普·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。

加州理工學院費曼理論物理學教授，

LIGO引力波探測器計劃發起人之一 基普·索恩（Kip Thorne）

但看過電影許多人都會問：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？

而在電影中一閃而逝的黑洞畫面，堪稱電影史上最準確的呈現，看似簡單的畫面，卻是由一組三十人和數以千計的計算機一年的工作成果，在電影中鄭重亮相。

導演諾蘭執導這部太空探險電影，他懂精彩的畫面該如何呈現，配合基普·索恩看見事實的本領，擦出合作的火花，即使這只是故事中的黑洞，也可以扭轉你對它的認知。

導演諾蘭與教授基普·索恩

基普·索恩不是專業的天文學家，他在退休前的興趣是向大眾解釋相對論的主要概念，那段時間認識了製片人琳達·奧布斯特（Lynda Obst），二人開始討論製作一部關於黑洞和蟲洞的電影。

當編劇喬納森·諾蘭（Jonathan Nolan） 寫好劇本後，就邀請著名導演諾蘭加入拍攝，諾蘭想把科學作為這部電影的核心，因此他開始和基普·索恩的合作。

2013 年年初，基普·索恩和諾蘭將製作的重點擺在物理學家所說的「宇宙的扭曲面」—扭曲的時空、在現實面上的洞、引力扭曲光線的原理。

基普·索恩表示︰“整部戲的靈魂以及科學題材電影的目的，是為了讓觀眾在短時間內認識科學的偉大之處。”

故事背景被設定在一個農作物失收、人類面臨滅絕危機的時代。前航天員 Cooper （馬修·麥康納飾）被選上，嘗試在外太空尋找適合人類移居的地方；當中有一個潛藏的問題：其他星體真的非常遠，要到其中一個最接近的星球也要數十年，人類根本到達不了，接著，就是科學的重要了。

蟲洞，一個宇宙中可能存在的、連線著兩個不同時空的隧道，聽起來就是個不錯的選擇，自然也在《星際穿越》中出現。

1916年，愛因斯坦提出他的廣義相對論物理定律才過了一年，路德維希．弗萊姆（ludwig flamm）就在維也納發現了愛因斯坦方程式的一個解─描述一種蟲洞的解。

基普·索恩和諾蘭 在討論蟲洞的物理物質時，產生一個顯而易見的問題︰怎樣在銀幕上呈現出蟲洞的形態？

讓電影特效組頭痛的不只是物理學上的問題。故事中對時間的詳述︰不同角色時空以不同的速度流逝，也是很棘手的點。為了在科學上更可行，基普·索恩跟諾蘭決定以一個更大的黑洞解決這個問題，就成為了電影中名為 Gargantua、一個接近光速的的黑洞。

諾蘭不知道怎樣才能讓這個黑洞看起來更真實，於是找上視覺特效師保羅·富蘭克林（ Paul 富蘭克林） 合作。

保羅·富蘭克林所在的特效公司是歐洲最大的影視後期特效製作公司，Double Negative 。 動畫特效對於他來說絕對不是問題，但要避免和現實脫節卻很難。

因此他還是請教了基普·索恩，讓他設定算式，從而引導特效程式顯示出物理是如何管理真實世界，他們由蟲洞開始研究，假如圍繞蟲洞的光線不能如傳統所說的以直線行動，那結果會怎樣？

怎樣可以用數學理論去描述？

研究大量科學報告後，富蘭克林的製作團隊以這些基礎編寫了一套新的程式、模擬蟲洞，結果相當不錯，模型象是一顆顯示著宇宙的水晶球，像在時空中一個球體的洞。

馬修·麥康納在電影中探討另一個世界，

基普·索恩用圖表解釋黑洞如何吸入光線

有了繪製模擬蟲洞的成功經驗後，團隊更有信心，以相同方法繪製模擬黑洞。但黑洞之所以名為黑洞，當然不會存在任何光線，他們需要寫出一個最新的程式，這完全是物理學的另一種類。

因為愛因斯坦的

引力透鏡效應（Gravitational lensing）

產生的複雜計算，有些單獨的畫面更需要多達 100 小時去製作，片尾更花了 800TB 的儲存量。

諾蘭很想要表達出『黑洞是球狀』這個想法。

但富蘭克林說：“這隻會看起來像光碟，你只能看到黑洞怎樣扭曲光線。”

閱讀關於圍繞在黑洞軌道上的吸積盤（Accretion disks）和聚合物後，他找出解決方案：利用軌道上圍繞的垃圾來定義出這個球體。

他們做了一個很有趣的嘗試。他先製作出一個平面、彩色的環，作為吸積盤的替代品，再以此圍繞在模擬黑洞外，神奇的事發生了，他們發現黑洞附近被屈曲的空間還會扭曲吸積盤。

所以，除了那像土星環的吸積盤圍繞著黑洞，光線還會製造出這個特別的光暈。一開始 Double Negative 團隊以為一定是製作器出錯，但索恩發現這才是數學算式的正確模型。

雖然今年已經拍攝到人類歷史上第一張黑洞照，

就當時來說仍相當接近真實黑洞的模樣。

2019年4月10日，人類歷史上第一張黑洞照

模型中接近黑洞影子的地方，出現超乎意料的複雜指紋形狀，發光的吸積盤出現在黑洞的上面、下面和前面。

連基普·索恩都很驚訝︰「我從沒有預料到會達到這種神奇的成就。」

最後，劇中除了圖片很唯美之外，更能教育大眾比較真實、準確的科學，可以說是一趟科學發掘之旅。

基普·索恩很喜歡跟別人解釋黑洞碰撞，這種因旋轉星體而運動的空間，產生時間扭曲，他運用生活貼近的比喻，象是兩個撞在一起的龍捲風，但這樣的說法總不太真實，當觀眾看到《星際穿越》中的蟲洞、黑洞時，會不禁讚歎它們的美麗，又因為這貼近現實的瞬間，而更顯意義非凡。

蟲洞研究年表

1783 英國天文學家John Michell提出光無法逃逸的緻密天體想法。

1796 法國物理學家Pierre Simon Laplace根據牛頓萬有引力，預言出光無法逃離的黑洞半徑。

1916 Albert Einstein發表廣義相對論，德國天文學家Karl Schwarzschild以此算出黑洞的重力描述，同時預言白洞的存在

1916 奧地利物理學家Ludwig Flamm提出蟲洞（灰道）概念。

1935 愛因斯坦及美國物理學家Nathan Rosen利用引力方程式解出「愛因斯坦—羅森橋」，認為蟲洞可以做時空跳躍。

1939 美國物理學家Oppenheimer等人提出TOV limit，若中子星質量超過一定上限則會因自身重力塌縮為黑洞。

1970s 開始觀測到黑洞。

1974 英國物理學家Stephen Hawking提出量子黑洞（quantum mechanical black holes）

1988 美國物理學家Michael S。 Morris等人描述了在量子泡沫中所產生的連線不同時空的蟲洞。

1996 美國物理學家Bombaci將TOV limit上修為1。5-3倍太陽質量。

2000s CERN科學家計劃利用LHC製造量子黑洞。

2011 有研究認為與大霹靂的起源就是一個白洞。

2013 科學家利用量子糾纏理論製造出微觀尺度的蟲洞。

2019 人類拍到歷史上第一張黑洞照片。

參考資料：

nerd-wiki。de

insidescience。org

維基百科：蟲洞、黑洞

《黑洞與時間彎曲》基普·索恩

紀錄片《星際穿越》中的科學 （2014）

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