再来修改这个答案的时候,系里的泰国小哥带来了Kip Thorne的新书The Science of Interstellar,于是我毫不犹豫的霸占了一下午的时间,基本通读了所有关键部分,现在可以更好地回答这个问题了。
11.14:补充了潮汐锁定的影响;Thorne关于旋转黑洞的估算(Kerr黑洞)
自己偷懒来晚了,非常同意目前排名第一的答主关于“看科幻的正确方式就是为其洗地”的观点,他的回答也涵盖了本片的大多数争议部分,不过我还是想把其中几条进行扩充,方便想深入了解的读者们。(介绍部分比较啰嗦,可以直接看黑体部分,结论直接看黑体+下划线)
1,第一个星球的巨浪
我听到的第一个关于这个巨浪的吐槽来自一位师妹“水那么浅,哪来的那么高的巨浪啊?”。这个问题很好回答,因为来自黑洞的潮汐力早就把这个星球表面的“水壳”拉长成一个椭球了:
这是地球潮汐成因的夸张图示,图中椭圆的尖端没有朝向月球是为了说明潮汐加速效应,这里按下不表。这个椭球的原因很简单,点质量/球状质量的引力按照平方反比率衰减,靠近黑洞的水受到的引力更大,为了平衡会被“拉”到离黑洞更近的位置。。。且慢!这么一说,水被拉起之后里黑洞更近,受到的黑洞引力更大,同时离星球更远,受到星球的引力更小,岂不是会被黑洞吸走?这让我想起如果直升机在高空悬停12小时,会飞到美国吗? – 胡晓的回答,因为大家忽略了星球绕黑洞运动时产生的离心力,这才是和黑洞引力平衡的力(从星球参考系看),wiki上有个很好的图:
上半部分表示黑洞对星球的总引力,越到右侧(离黑洞近的一侧)越大,下半部分表示减去离心力后的潮汐力,最后潮汐力的分布是:
那么想简单估算一下潮汐的高度,只要知道地心和地表处的黑洞引力差就行了:
这里实际是最大值,也就是星球表面位于离黑洞最近点和最远点两处的值,其他位置则随着到地心连线到地心与黑洞连线的投影长度变化,这个力的力场和地球的引力场叠加,使得地球表面(近似球面)不再是等势面。假如我们定义水面最低处(其实就是到地心连线同地心到黑洞连线垂直的那个大圆)为势能0点,“潮汐力场”在潮汐最高处的地表位置的势是:
如果潮汐高度为h,也就是上升h达到势能0点,单位质量引力要消耗gh的功去抵消U_f,于是潮汐高度h是:
假如地球需要1km的潮汐,那么地球到太阳的距离需要差不多缩短到现在的1/20.这其实已经差不多在太阳表面了。
切换到影片里的黑洞,The Science of ‘Interstellar’ Explained (Infographic)这个链接提到视界大小和地球轨道半径差不多,假设是史瓦西黑洞的话(没有自转),这个黑洞质量应该是太阳的5000万倍,“只”产生1km高的潮汐的话,地球到它中心的距离应该是20倍目前地球到太阳的距离,而这个距离还是比地球和黑洞之间的洛希极限(潮汐力=重力时地球到黑洞的距离,这个时候地球要是不够结实就散架了,这里是1.35AU左右,比视界半径大一点而已)。
所以,结论是:产生1km的潮汐没问题,星球也不会散架,但浪不会来的那么突然,除非有特殊的地形制约(参见钱塘江入海口)。
补充:评论中有人提到了潮汐锁定,其实这一点反而可以更好地解释这个巨浪。Kip Thorne在新书里也提到了。因为潮汐锁定并不是完美的锁定,即使是月球,也会在锁定位置附近晃动,这种晃动贡献了天平动(http://zh.wikipedia.org/zh-cn/天平動)的一部分。根据Thorne的估算,晃动的周期差不多是一小时,如果幅度足够大的话,这意味着潮汐的频率也会高很多,来势完全可以更凶猛。
另外,即使是月球微弱的引潮力,都可以导致地球的固体部分发生形变,也就是固体潮(Earth tide),幅度可以达到几十厘米。对于片中的星球Miller,黑洞的潮汐力带来的很可能是大规模的地壳形变,强烈的海地地震会引起更具破坏力的海啸。在地球上都能达到10m级高度的海啸,在Miller上有更强烈的地震作动力,再加上黑洞潮汐力的加成,形成滔天巨浪也就不难理解了。
2.想产生1h=7年的效果,星球必须到离黑洞非常近的位置,而那么近已经没有稳定轨道了吗?
引力产生的时间膨胀可以简化为(无自转黑洞):
r_sch代表黑洞的史瓦西半径,所以要产生1h=7年的效果,时间需要膨胀6万倍,所以上面的r~1.0000000001r_sch,基本就在视界表面了
不过因为星球本身也在相对黑叔叔所在空间站运动,所以还会有个狭义相对论的时间膨胀,假如空间站飞的很慢,这两个效应叠加的时间膨胀是:
这个式子来自wiki:Gravitational time dilation,由于本人也没认真学过广相,所以还望各位大牛验证。
这样一来,这个星球只需要呆在差不多1.5倍史瓦西半径处就可以产生1h=7年的效果,依然在洛希极限之外,也不会被撕碎。
那么这么近会不会有稳定轨道呢?
Innermost Stable Circular Orbit,是只有广义相对论才会出现的名词,简而言之就是距离视界比较近的时候引力已经和牛顿理论出现不少偏差,最终导致距离太近的轨道不稳定,但这个值和黑洞自转有关,自转越快(和公转天体的公转方向相同的话),这个稳定轨道的最小值就越小,差不多是这么个关系:
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt_files/skripten/Lect06Kerrmetric.pdf
这里用了自然单位制,M=GM/c^2,所以r=6M代表r=3r_sch,而黑洞自转达到最大可能值(可以理解为黑洞表面速度达到光速)的80%,稳定轨道的最小值就可以在1.5个视界半径以内,所以依然可能有稳定轨道。
补充:上面的计算有很多不严谨的地方,譬如用史瓦西黑洞(无自转)去推断片中的Kerr黑洞(自转黑洞)的情形。Thorne在他书中给出的结果比我要极端,譬如为了达到1h=7年同时保证稳定轨道,黑洞自转速率只能比理论上限慢一千亿分之一!只是这样一来黑洞从视觉上会有很大的不对称性,为了不让观众犯糊涂,影片中的黑洞图像是基于60%最大自转绘制的。
3.影片中的黑洞图像非常好的表现了广义相对论效应,但是对狭义相对论效应缺乏表现。
在另一篇回答如何评价 2014 年的电影《星际穿越》(Interstellar) ? – 胡晓的回答 里也提到过,当时我觉得这可以由吸积盘足够亮,能谱足够宽解释影片中没有体现吸积盘视觉上的(左右)不对称。不过读到Thorne的书,顿时觉得自己被打脸:特效组刻意没有表现这个效应让大多数观众不被迷惑。好吧,看来这个错误是板上钉钉了。
那么狭义相对论的效应具体是怎样的呢?
大家可以想象一个朝向你移动的球形光源,由于相对论性多普勒效应,向你飞来的光子频率升高,也就是变蓝。同时,你单位时间接收到得光子也会增多(类似普通的多普勒效应,你可以把每个光子等效成一个波峰),所以这个光源还会变得更亮。相反,背向光源一侧看到的情形就是这个光源变暗变红。如果光源的速度相当接近光速,大部分的能量就会集中辐射到光源的前方,如同一束很窄的光束,所以叫做相对论聚束效应(relativistic beaming)。这个效应作用在吸积盘上,得到的情形差不多是这样的:
假设这个盘是逆时针旋转,我们又是从下往上看盘的侧面的话,盘的能量/光谱分布对我们来说差不多就是这个样子的。具体到电影中的情形,除了弯曲,我们应该能看到右侧的的盘更蓝更亮,左侧更红更暗一些。
关于飞船的动力之类,明天(又是明天)继续补充
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:胡晓
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