本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
克里斯托弗·諾蘭的新電影《星際穿越》講述了一個近未來故事，宇航員們離開垂死的地球前往土星，然後透過蟲洞前往另一個星系，所有這一切都是為了尋找人類可以稱之為家園的地方。
這是一部華麗而雄心勃勃的作品，由星光熠熠的演員陣容奉獻了精彩的表演，並輔以高保真的視覺效果和激動人心的配樂。在超大IMAX螢幕上觀看奢華的70毫米格式影片時，你會感覺自己和船員們身臨其境，在充滿敵意的外星球上攀爬，並進行大膽的軌道機動。當他們被迫面對為了進行相對論旅程而做出的個人犧牲時，你可能會瞬間感到眼中有沙子。在諾蘭的電影中，愛真的能征服一切——即使是超大質量黑洞的致命引力場和星辰之間的巨大鴻溝。我建議你去看一下。
但是，如果你看電影是為了感受它們對你心靈的影響，而不是對你情感的影響，那麼這部電影可能會讓你感覺不那麼激動。儘管這部電影被大肆宣傳為貼近現實——加州理工學院的物理學家基普·索恩撰寫了故事的初稿，並擔任了這部電影的顧問和製片人——《星際穿越》中的一些科學知識是可笑的錯誤。更令人遺憾的是，但同樣具有破壞性的是，故事中一些與科學無關的部分缺乏內部自洽性，甚至不可能是錯誤的。
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關於這部電影的科學缺陷，已經有很多文章指出其天體物理學、行星科學和軌道力學方面的基本問題，這些問題構成了關鍵情節的基礎。同樣多的墨水已經被潑灑（或畫素被燒燬）用於說明這些細節不應該妨礙一個好故事，這部電影不是為科學家啟迪而製作的，而是為了娛樂普通大眾。我將避免在這裡總結這些論點，從而讓你免於厭倦（以及劇透）。相反，我只想說，至少對我而言，這部電影最大的缺陷是，它與所有其他太空歌劇電影一樣：它自相矛盾地將星際旅行描述為既荒謬的容易又不可能的困難。
這種矛盾源於電影的核心情節裝置：蟲洞，一個穿越時空的隧道，如果穿越這個隧道，就可以在遙遠的地點之間進行幾乎瞬時的旅行。阿爾伯特·愛因斯坦和他的合作者內森·羅森在1935年首次普及了這一概念，但此後，蟲洞在科幻小說中得到了最大的曝光，因為它們在理論上提供了一種以超光速將脆弱的、有形的角色在宇宙中穿梭的方法。例如，將一端放置在土星軌道上，另一端放置在仙女座星系的中心，像馬修·麥康納這樣的稜角分明的英雄就可以在幾分鐘內完成星系間的穿越，而光本身——最快的東西——需要超過500萬年的往返時間。這是簡單、吸引人、令人信服的部分。
困難的部分在於，除了具有明確推測性的方程外，沒有任何證據表明蟲洞實際存在，更不用說如果我們發現它們可以操控或穿越它們了。根據索恩和其他人的理論工作，要使蟲洞穩定到可以使用的程度，就需要存在和操縱另一種我們幾乎沒有實際證據的完全假設的東西： “奇異”物質——即具有負質量和能量的物質。因此，要到達星辰，我們所要做的就是依靠兩個不同的實體，我們都不知道如何創造或操縱它們，並且事實上它們可能只是數學上的海市蜃樓，就像M.C.埃舍爾版畫中不可能的樓梯一樣。所有其他超光速旅行方案——曲速驅動、超空間跳躍等等——也有類似挑戰現實的要求。
足以說明，超光速旅行的任務很可能比在充分理解的物理定律的嚴格約束下進行星際航行還要困難。如果你相信蟲洞和曲速驅動能夠帶我們到達星辰，那你還不如依靠神、鬼和惡魔的干預——它們可能也會有同樣的幫助，那就是根本沒用。蟲洞和其他超光速旅行方案不會在短期內，甚至永遠都不會帶我們到達星辰。
當然，蟲洞看起來如此吸引人，是因為標準的、老式的星際旅行並非易事。這是我第一次從射電天文學家弗蘭克·德雷克那裡聽到的一個思想實驗，它說明了“簡單”的星際穿越有多麼困難：想象一下，如果我們發現一顆可居住的行星圍繞一顆距離大約10光年的恆星執行，並且我們選擇向它派遣一支探險隊，乘坐一艘大小和質量都與737噴氣式飛機相當的宇宙飛船，以光速的10%的速度飛行。更快的速度會使你的宇宙飛船在飛行途中面臨被摧毀的風險，因為如果它撞擊到一顆漂浮的塵埃，釋放的能量將相當於小型核爆炸。以這個速度，探險隊需要一個世紀才能到達目的地。
計算這次航行需要多少動能很簡單，只需代入質量和加速度的數字來推匯出所需的力即可。（如果要減速進入目標系統的軌道，其旅行時間和能量需求會更大——為了簡單起見，我們假設它是一個飛掠。）儘管計算很簡單，但它的答案卻令人望而生畏：要將我們的星際飛船加速到光速的10%，需要相當於當今美國兩個世紀電力生產的能量。即便如此，也存在可能達到如此極端速度的飛船的合理設計，使用諸如核脈衝推進或雷射驅動光帆等概念；不需要奇異的物理學。
當然，還有其他到達星辰的途徑，這些途徑不那麼依賴速度。太陽被奧爾特雲包圍，這是一個稀疏的、由萬億顆彗星組成的星雲，它從冥王星軌道之外開始，向外延伸到距離我們最近的鄰近星系——半人馬座α星大約一半的地方。彗星富含冰和其他資源，可以加工成飲用水、火箭燃料和園藝所需的原材料——為任何正在移動的行星文明提供燃料站。人們可以想象，在遙遠的未來，人類和機器透過跳躍彗星進入最後的邊界，在那片黑夜的海洋中從綠洲移動到綠洲，需要數代人的時間，但最終會到達外星太陽下的某個新世界。
如果你願意花費數萬年或數十萬年的時間完成穿越，你甚至可以現在開始星際航行。所需要的最多隻是幾億美元，將一個小艙放在火箭的頂部，火箭能夠將有效載荷提升到日心逃逸速度。然後，它將加入地球的其他星際使者——先驅者10號和11號、旅行者1號和2號，以及前往冥王星的新視野號任務——踏上緩慢的星辰之旅。這樣的時間跨度似乎不太適合人類，但對於工程設計非常精良的機器來說，也許是觸手可及的。
在這些情景中我們面臨的挑戰是困難的，但仍然牢牢地處於現實的範疇內，更多地與社會組織、資源分配、經濟激勵和長期規劃有關，而不是與理論物理學的邊緣有關。它們表明，對於一個最多隻比我們稍微先進的文明來說，星際航行可能只像古埃及人建造大金字塔一樣困難。
所有這一切並不意味著我們不應該嘗試突破可能的界限，尋找超越我們太陽系未來任何困難事實的方法。但這確實意味著我們可以而且應該做得更好，而不是用關於舒適和便捷的星際旅行的準魔法般的異想天開來欺騙自己。也許有一個神奇的子彈在那裡等待著將我們彈射到星辰，它可能存在於教科書的邊緣，實驗室的角落，或者土星的郊外。或者，星際旅行不可避免地涉及漫長而乏味的跋涉。承認這一點可能不會成為好萊塢科幻大片的最佳情節，但它會使我們更接近那些遙遠的地方，在那裡，許多人內心深處希望有一天能夠到達那裡。