【科學與藝術】《星際穿越》的迷思與無線電望遠鏡計劃

            黑洞卡岡都亞，《星際穿越》 （圖片來源雷鋒網）

5月12日，已經75歲高齡的基普·索恩 (Kip Thorne) 拜訪了美國查普曼大學，作了一場有趣的演講。在加州理工講了50年理論物理的索恩，其最大的樂趣就是和各個領域的藝術家合作，將他所瞭解的物理學廣為傳播。電影、繪畫、詩歌、書籍，他樣樣不落。“我一直喜歡並致力於同藝術家合作，並努力通過藝術和音樂來傳播科學的觀念。想要展現科學，你有很多種方法。”

                         基普·索恩 (Kip Thorne)（圖片來源于雷鋒網）

另外，身為LIGO引力波探測項目創始人之一，他又有著怎樣獨特的看法呢？

在索恩看來，“數學是一種終極的語言。在數學的基礎上進行實際觀測，我們就能知道自己是不是走在正確的軌道上。”

不過，無論索恩還是他的那些同事和夥伴——比如斯蒂芬·霍金和卡爾·薩根——他們都明白，如果僅憑數學去研究這黑暗而神秘的宇宙，進度將會非常緩慢。

“我們必須利用起直覺，跳躍性地猜測我們要研究的方向，”索恩說，“而這要靠視覺化進行展現，比如人工繪畫，或者計算機作圖。這是我們所用的重要工具，並非只是展示給非專業學者，這是數學之外的另一種語言。”而索恩正是精通這兩種語言的男人。

“對我來說，科學是我的事業，而與藝術家們的合作是將科學的力量與美傳達給大眾的重要途徑。我作為物理學家在加州理工已經工作了50年。從大眾角度講，我所從事的領域對於當今和未來的文化都非常重要。”

打造星際穿越

2014年，索恩作為執行製作人，幫助導演克里斯托弗·諾蘭 (Christopher Nolan) 創作出膾炙人口的科幻電影《星際穿越》。然而這並不是索恩首次涉足影視，早在30多年前，卡爾·薩根就把索恩和電影製作人琳達·布斯特  (Lynda Obst)“撮合”到一起。1997年時，她曾參與製作科幻影片《接觸》，其中用於時空穿越的蟲洞理論就來自索恩的幫助。

當作為《星際穿越》的執行製作人時，索恩發揮的作用重要了很多。

他首先為電影設定了兩條基本原則：一切都不能違反物理學定律；想像內容也需要良好的科學支持，不能憑空想像。

                                            基普·索恩和導演克里斯托弗·諾蘭 （圖片來源雷鋒網）

“導演對此的態度是，只要不妨礙製造一部精采的影片，他都沒有意見。”索恩介紹，“不過片中確實有幾個地方從科學上講有點誇張了，不至於講不通，但發生的可能性確實不大。”

當時最大的分歧就是，諾蘭想讓宇宙飛船超越光速飛行，索恩的態度則是：別想。

“有時候我會說，‘我不認為這行得通，那肯定要嚴重地違反物理學定律。’”索恩回憶，“然後導演會這麼說，‘去算一下是不是真的不行？’於是我跑去計算一番，回來告訴他：‘看來是我錯了，這確實可行。’”

對於超光速的飛船來說，顯然，計算結果很明確：不可能。不過索恩在此事上和諾蘭爭執了兩三週，直到諾蘭妥協。

由保羅·富蘭克林 (Paul Franklin) 帶隊的視覺效果團隊和索恩也有著密切的合作。在索恩的計算基礎上，他們將那些基於愛因斯坦光傳播理論的概念轉化為真實具體的描繪，這包括《星際穿越》中的黑洞和蟲洞等等。在索恩看來，片中的黑洞卡岡都亞 (Gargantua) 可謂最迷人、最令人信服的一個版本。當然，最精確的描繪還是得去找天體物理學家才能看到。

在那之後，索恩開創性地發表過兩篇論文，一篇是寫給天體物理學家的，一篇是寫給電影製作人的，告訴他們要如何開發和使用這些需要把物理學和電影製作相結合的技術。

然而人類能否真的進行星際旅行呢？索恩是這樣看的：“我想這很可能實現，但至少要在三百年以後。那確實非常非常難。”

智利高原上的全球最先進無線電望遠鏡

自從義大利天文學家、物理學家伽利略（Galileo Galilei）發明了人類第一台望遠鏡，多數科學家都是使用光學望遠鏡（optical telescope）來觀察太空，然而光學望遠鏡只能接收到電磁光譜（electromagnetic spectrum）中一小部分的光波，因此宇宙中黑暗的部分如黑洞，其實不易觀測。

                                      圖片來源於風傳媒

ALMA是由66座天線所構成的無線電望遠鏡，每座天線的直徑分別為7公尺與12公尺，並且收集來自太空的輻射，而後經由威力相當於300萬台筆電的「超級電腦」轉化成數據，送到海拔2900公尺的營運中心進行分析。

ALMA於2013年3月啟用，它是由跨國研究機構所合作的大型研究計劃，包括智利、台灣、日本、韓國、美國、加拿大都有參與。台灣的中研院以及多所大專院校如台大、清大、中央等校也都是研究團隊成員，為現今全球最大型的天文計劃。

重達100頓的天線散佈在查南托高原上，宛如一個巨大棋盤上的旗子。天線的放置位置決定了所觀察到的太空是在哪一個部分，工程人員會用拖拉車移動這些天線，有時候2座天線的距離可以高達15公里。

                                            圖片來源於風傳媒

「就在去年，我們發現了一顆恆星的周圍形成了一個星盤（disc）。」負責ALMA計劃天文學家英帕勒利（Violette Impellizzeri）表示，他補充道：「真的非常壯觀，我們在這裡觀察的人看到後都為之讚嘆，就好比是欣賞一幅藝術家的巨作一樣」。

科學家近期透過ALMA發現了距離地球7億300萬光年處，有個「超重黑洞」的存在，「能夠這麼精準地觀測到，是第一次。」英帕勒利表示。

ALMA也被用來觀測「雙星系統」（binary system）。不同於太陽系，所有的星球都圍著一顆太陽運轉，雙星系統擁有2個太陽。一開始沒有人知道這個系統裡的星體是如何運轉的，只能推測出星體圍繞著2個太陽運轉時，將陷入引力的拔河戰（gravitational tug of war），甚至可能在過程中相撞，最終遠離所屬的系統。

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