
1905年的时候,爱因斯坦写出了狭义相对论论文:《论动体的电动力学》,很明晰的阐述了时间是相对的,也就是说,只要某个人比你更快,那么他的时间就会比你更慢。μ子衰变时间约为2μs,却因为速度达到了0.99c,所以能从百千米外太空到达地面,这清楚的表明了时间的相对。双生子佯缪也可以做出论证,我就不再赘述。
而后来的广义相对论表明,在引力场中,离引力源越近,时间流逝会越慢。米勒星球的极端时间变慢——米勒星球的一小时相当于地球上的七年——便是如此。米勒星球处在非常强的引力场中,非常的接近黑洞卡冈都亚。
数学计算上的可实现性 @李刚 已经回答了 ,本文补充讲述米勒星球一小时等于地球七年的可实现性。在电影中,米勒星球非常接近黑洞而不被黑洞的潮汐力撕裂,是因为黑洞卡冈都亚的质量极大。而达到如此极端的变慢,卡冈都亚的自旋速率也相当快,因米勒星球自旋和公转相匹配,米勒星球不会因空间回旋而被撕裂。下文参考《星际穿越》一书基普对米勒星球的描述。
米勒星球离黑洞卡冈都亚很近,近乎极限,但却能仍然幸存。从宇航员巨大的时间损失上可以知道,这只可能发生在离卡冈都亚非常近的地方。
米勒星球的轨道处在下图中蓝线位置,离黑洞的视界非常近,黑洞周围的空间被弯曲的像圆柱体的表面。
图中显示在黑洞附近圆柱体的横截面是圆形的。事实上,这是高维视角中的空间扭曲。在我们看来,这些圆形的二维视角周长是相等的,也就是在三维空间里,它们形成的球体厚度非常的薄。
蓝线所在的位置和其他位置有很大的不同,位置非常特别。这其中关键是黑洞附近的时间弯曲,图中并没有展示出来。
在接近开卡冈都亚时,时间会变慢,而且随着离黑洞的距离越来越近,情况变得更加极端。根据爱因斯坦理论时间弯曲的解释,视界附近的引力会异常强大,下图红线描述了引力势与观测者到黑洞之间距离的关系:
在靠近视界距离比较小的时候,引力势极剧上升,与表示行星感受离心力的蓝线相比,随着半径的变化,其斜率是渐变的。结果这两条线产生了两个焦点。
通过离心力和引力平衡,行星可以围绕黑洞稳定的公转。在内平衡点上,行星的运行轨道是不稳定的:如果对行星施加一个稍微向的外推力,那么离心力就会大于引力,而将行星拉离黑洞,如果微小的扰动是向内的,那么引力便会大于离心力,行星会被引力拉入卡冈都亚。这就意味着米勒星球不可能在内平衡点上呆很久。
而外平衡点的情况正好相反,星球可以在这附近形成稳定的公转轨道。如果米勒星球在外平衡点上受到了轻微的外推作用,那么红色线的引力将会大于蓝色部分的离心力,而离心力而将米勒行星拉回。如果米勒星球受到向内的轻微扰动,那么蓝色的离心力会大于红色的引力,此时离心力会将行星再次推回稳定轨道。所以米勒星球的运行轨道应该在外平衡点上。
①在环绕黑洞卡冈都亚行星系统的所有稳定圆轨道中,米勒星球的轨道是离黑洞最近,且最稳定的,这意味着米勒行星轨道上的时间流逝速率是最慢的。但是由于离卡冈都亚太近,米勒星球会受到很强的潮汐力,这个强大的潮汐力几乎将摧毁这颗星球。当然只是几乎,并没有真正的摧毁。
米勒星球在朝着黑洞的方向上被拉伸,在与黑洞连线垂直方向上被挤压。潮汐力对米勒星球的拉伸和挤压强度反比于黑洞卡冈都亚质量的平方。因为卡冈都亚的质量越大,视界周长就越长,相应的,被黑洞施加在星球不同部分的力就会均匀。潮汐力也就越弱。
通过细节可知,卡冈都亚的质量至少为一亿倍太阳质量,如果卡冈都亚比这一质量轻的话,米勒星球就将被潮汐力撕裂。(当然,两亿倍太阳质量是一个更加合理的数值,但电影希望让数值简单些,而且这个数值本身就有很大的不确定性,所以选择了一亿倍太阳质量)
《星际穿越》这部电影作出的所有科学解释中,卡冈都亚的质量都是一亿倍太阳质量。
黑洞视界的周长正比于黑洞的质量,对于一亿倍太阳质量的卡冈都亚来说,他的视界周长差不多为十亿千米,非常巨大。物理学家们定义黑洞半径为其视界周长除以2π,因为黑洞内部的空间是极度弯曲的,所以这并不是黑洞的真实半径。而是在超体中所测得的视界的半径。在这个意义上,卡冈都亚的半径为1.5亿千米,与日地距离差不多。
②要达到米勒星球一小时,地球七年,米勒星球需要在不落入黑洞卡冈都亚的情况下尽可能靠近它,并且旋转的足够快,也就是卡冈都亚的自旋速度一定要极快。
黑洞有一个所能达到的最大自旋速率,如果超过这个转速,那么他的视界就会消失,对全宇宙敞开它的奇点。也就是说他会有一个裸露的奇点,而这很有可能被物理定律所禁止。
想要达到极端时间的变慢程度,黑洞必须几乎以最最大的自旋速率旋转:只可以比最大速率慢大约100万亿分之一秒。在多数情况下,电影《星际穿越》的科学解释就基于这个自旋速率。
当塔尔斯落入卡冈都亚时,永恒号的船员可以直接从很远处观察并测量黑洞的自旋速率,从远处看塔尔斯一直没有穿过视界——因为他穿过视界之后发出的信号无法离开黑洞。取而代之的是,塔尔斯越落越慢,最后看上去好像悬停在视界上。从远处看,当塔尔斯悬停时,卡冈都亚的回旋空间带动着塔尔斯绕着黑洞一圈圈转动。
如果考虑到卡冈都亚的自旋速率很接近其最大速率,那么从远处观察,塔尔斯回旋的轨道周期将大约是一个小时。绕卡冈都亚转动一圈的轨道长度大约是十亿千米,而塔尔斯用一个小时就可以转一圈,从远处看,它的速度大约是十亿千米每小时,几乎达到了光速。如果卡冈都亚的自旋速率超过最大自旋速率,那么塔尔斯的绕转速度将超过光速。
这违反了爱因斯坦的相对论物理定律中的速度极限。这就是为什么任何黑洞都会有一个最大自旋速率。
自然界可以通过一种机制来阻止黑洞转得比最大自旋速率更快:
当黑洞吞噬轨道方向与他自旋方向相同的物体时,自旋会加快。但当黑洞自旋接近最大速率时,这些物体则将很难被黑洞捕获。相反,此时轨道方向与黑动自旋相反的物体却容易被黑洞捕获,而吞噬这些物体则会令黑洞的自旋速率降低。因此,当黑洞接近最大自旋速率时,他的自旋速率反而很容易降低。
根据爱因斯坦的理论,从远处看米勒星球在这周长约十亿千米的轨道上绕着卡冈都亚转动,公转周期大约为1.7小时。也就是说米勒星球的工转速度几乎达到了光速的一半。考虑到时间变慢,巡逻者号上的船员所观测到的公转周期约零点一秒,也就是每一秒绕卡冈都亚转十圈。
这个实在太快了。这不是比光速还快了吗?答案是否定的,这是因为卡冈都亚快速自转所产生的回旋空间的存在。
相对于行星所在的旋转空间,按照当地的时间计算,行星的速度并没有超过光速,这才是关键所在。也只有在这里光速上限才有意义。
米勒星球永远保持着一面朝向卡冈都亚,所以他的自转和公转速率应该是一样的,都是十圈每秒。
因为空间回旋的存在,米勒星球的自转速率和他附近空间回旋速率完全一致的话,那么米勒星球是不会感受到任何离心力的。所以源自于本体自转的离心力,其实比较微弱。如果米勒星球不随回旋空间一起旋转,也就是相对于遥远的恒星是不转动的,那么他反会相对回旋空间以每秒十圈的速率旋转,并最终被这个离心力所解体。
米勒星球受到来自黑洞卡冈都亚的强烈的潮汐力,行星被潮汐力产生了明显的形变,在指向和被离开卡冈都亚方向的两个方向上,产生了大幅的隆起。
如果米勒星球相于卡冈都亚有额外的自转,那么从米勒星球的角度出发来看,潮汐力是不断转动的,米勒星球会先在东西方向上被挤压,在南北方向上被拉伸,四分之一个公转周期后,之前被挤压的东西方向会变为拉伸方向,而之前被拉伸的南北方向会变为挤压方向。这些拉伸和挤压效应比行星地幔的强度大的多,所以地幔会因潮汐力的作用而碎裂。接下来摩擦力会使之变热,融化,最后整个行星将变得炽热无比。
在电影中,米勒星球的样子完全不同,所以结论很清楚,米勒星球必须总是保持同一面指向黑洞,或者几乎是那样。
上文,是米勒星球可实现时间的极度缓慢流逝的内容。
下文,补充米勒星球巨浪的解释。
在电影中当巡逻者号停留在米勒星球上时,冲向他们两个高达1.2千米的巨浪的产生,有两个可能的解释,这两个解释的前提都是米勒星球的自转不能被卡冈都亚完全锁定,他们的潮汐力形变主轴要有一个微小的变化:
如下图描述的
指向变到右部的指向,然后外变回左部那样,如此反复。这种锁定是自然的,当你研究卡冈都亚的潮汐力时就会明白。
在上图中,拉伸线描述了米勒星球周围的潮汐力。不管潮汐力形变的主轴向哪个方向倾斜,卡冈都亚潮汐力场中具有挤压效应的蓝色拉伸线都会把它重新推回他偏好方向,也就是使凸起部分拉近距离卡冈都亚最近和最远的方向。
类似的,卡冈都亚潮汐力场中具有拉伸效应的红色拉伸线会把底部突起部分拉向靠近卡冈都亚的方向,把上面凸起部分推向远离卡冈都亚的方向。当然这同样会把行星推向他的偏好方向。
上述机制的结果就是米勒星球会不停的来回摆动,如果偏离角度较小,那么地幔并不会被潮汐力撕裂。
对巨浪的第一个解释是,在卡冈都亚潮汐力影响下出现摆动的行星搅动海洋的结果。(和地球上潮汐类似。)
对巨浪的第二个解释是海啸。因为米勒星球会微绕摆动,所以卡冈都亚的潮汐力也不会摧毁他的地壳,但是确实会以各种各样的方式改变地壳的形状。大约一小时一次,这种形变引发米勒星震。米勒星震很容易在这一行星的海洋上引发海啸,而这些海啸要比地球上看到的任何海啸都大的多。
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