《星際穿越》中有意思的小問題？（一)

星際穿越》是一部熱度很高的硬科幻電影，也激起了不少理科生對物理的熱情，這部電影主要講了主人公庫珀一行人太空探險利用他們針對蟲洞的新發現，超越對人類對太空旅行的極限，從而在廣袤的宇宙探索的故事。而今天我們主要盤點一些《星際穿越》中值得去思考的問題。

01

為什麼地球末日來臨除了玉米什麼植物都種不活呢？

在影片中提到，我們的星球因為枯萎病，很多植物都無法生存

“七年前殺死了小麥，今年是秋葵，現在只剩下玉米了……而玉米也會絕跡，很快”。

而這一理論也非常有科學道理。

玉米的這一特性是由它獨特的固定碳的方式決定的。在水稻和小麥中，被吸收的二氧化碳進入細胞後，首先需要和一種名為二磷酸核酮糖的含有5個碳原子的分子（記為C5）結合，產生兩個分別含有3個碳原子的分子（記為C3），其中一個C3分子通過一定的反應重新變為C5分子，而另一個C3分子則被合成為含有6個碳的糖類。因此，通過這種過程固定二氧化碳的植物，就以其最初產物的碳原子數目，命名為C3植物。而催化最初C5和二氧化碳結合的酶，被稱為二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）。

下面是C3→C5循環圖：

然而，這個酶有一個致命的缺陷——在二氧化碳濃度不足、光照過強或溫度過高的情況下，它會選擇利用氧氣氧化C5分子。這樣一來，在這個稱為光呼吸的過程中，這個酶非但不能固定二氧化碳，反而會消耗C5分子——這對於需要通過固定二氧化碳來獲得有機物的人類來說，是一個重大的損失。

然而，玉米卻巧妙地規避了這一點。它的葉肉細胞分化為兩種類型，一類和小麥、水稻類似，鬆散分散在葉片之中，而另一類則緊密圍繞在葉脈周圍。在那些直接和空氣接觸的鬆散葉肉細胞內，一種稱為磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的酶代替RuBisCO來固定二氧化碳，這種酶對二氧化碳有很強的親和力，而最初的碳固定產物是一個具有4個碳原子的分子（記為C4）。相應的，玉米被稱為C4（碳四）植物。由於PEPC並不利用氧氣，因此避免了碳的損失。而結合了二氧化碳的C4產物，則進入包圍葉脈的細胞之中，在那裡脫下二氧化碳，進行和C3植物中類似的產生糖類的過程。這樣做的好處很明顯：二氧化碳被富集到了圍繞葉脈的細胞之中，此時RuBisCO的氧化活性被細胞內較高濃度的二氧化碳所抑制，光反應所造成的碳損耗遠低於C3植物。

如果你看暈了不要緊，綜上概括起來就是，玉米這類C4植物可以主動“捕獲”二氧化碳，而其他C3植物更像是“守株待兔”。

正因為有著這種特殊的固碳技巧，使得玉米更加耐受高溫、高光強和低二氧化碳濃度。這三大優勢讓玉米在應對未來可能遭遇的末日環境中佔據了先機。短期來講，大氣內二氧化碳濃度的上升對植物來說是有益的，然而過多二氧化碳造成的全球平均溫度上升，加強了總體光呼吸的損耗，而玉米能在高溫和強光照射下依然保持較高的光合速率，這無疑對保證糧食的產量是有益的。而就長期來說，大氣二氧化碳並不會無節制地升高——在高溫和強光下，地殼內豐富的硅酸鹽的風化將加快，大量二氧化碳在硅酸鹽風化時被吸收，並固定於地殼之中。這一過程中大量丟失的二氧化碳將造成地球碳循環的崩潰。那時，不耐受低二氧化碳濃度的C3植物將最先因不能得到足夠的碳而“餓死”。而玉米，則可能是水稻、小麥這類C3植物消亡之後，人類得以殘喘的為數不多的“救星”。

02

《星際穿越》的故事背景到底是過去還是未來時代？

在看電影的時候，我就有這樣的疑問，到底星際穿越是以過去七八十年代為故事背景還是以未來世界為背景呢？要是以未來為背景，影片中所用的設備也過於落後，沒有手機，用無線話筒傳遞消息，沒有先進的醫療設備，沒有炫酷的高科技產品，只有農田？但要以過去為背景會讓讀者有很強烈的虛假感，因為這是過去沒發生過的，會讓我們停止自己的思考，會誤解這後面的科學知識完全是假設，不去思考他的合理性。

經過查閱一些資料，原來還是發生在未來。

2007年，編劇喬納森-諾蘭，製片人Lynda Obst和Kip Thorne一起在為故事的環境設定傷腦筋。怎麼樣讓人類文明處於明顯的衰退中，但看上去在許多方面還能正常的維持運作？枯萎病害死了所有可食用的莊稼，這合理嗎？

Thorne首先承認了自己並非生物和環境方面的專家，所以他求助於自己在加州理工學院的同事。2008年的一天，上述三人邀請了四位生物和農業專業的教授，其中包括一名諾貝爾獎得主，一起吃了頓飯，集思廣益。

喬納森·諾蘭先介紹了自己構思中的地球：北美人口縮減十倍以上，其他大陸情況差不多。人類退回到農業社會，為溫飽而奮鬥。但那又不是一個反烏托邦的世界，生活還是能夠忍受的，某些方面也能讓人感到幸福。很少的娛樂設施還在繼續運轉，比如棒球比賽。但人類失去了向前發展的希望，只求活下去。枯萎病從一種莊稼蔓延到另一種莊稼，到庫珀的孫子輩也許人類就將滅亡。

所以當二氧化碳含量越來越高，很多植物會因無氧呼吸而中毒死亡，而植物死的越多，食草動物也會大量消失，以此惡性循環也就成了影片中人人都成為了農民，工程師每天只想著怎麼填飽肚子，自然科學技術會合理的倒退。影片中還有一個細節是庫珀開家長會是對一位認為科學無用論的老師說的一句話。

如圖：

如果不是科技倒退而理解成是時代背景在一個沒有發明出來核磁共振的時期，庫珀也不會舉這個例子懟老師。

03

《星際穿越》中為什麼在不同星球人衰老的速度不一樣？

初中的時候看這部電影就神奇就被這一細節難住，庫珀拯救地球回來，幾乎還是老樣子，而他的女兒墨菲變成了即將臨終的老人。為什麼去了不同的星球連新陳代謝的速度，人體衰老的速度都會不一樣呢？

下面我們來舉個栗子

假設，有對地球上的雙胞胎（長得一模一樣），年齡都是30歲，有一天30歲的哥哥乘著宇宙飛船來到《星際穿越》所描述的星球，然後待了1個小時，趕緊乘飛船離開，回到地球（假設哥哥乘的這艘飛船科技很發達，會玩空間跳躍，一個跳躍就回到了地球，所花費的時間很短），然後跟弟弟團聚，發現弟弟比自己老了十多歲，也就是弟弟現在四十歲的模樣，而現在自己，還是30歲的樣子。

其實大多數人不明白的是，哥哥在那個外星球上待的那一個小時，到底是什麼感受。

沒錯，他感受到的時間變化，就是一個小時，如果恰好他去的時候帶了一塊手錶，他11點到達外星球，12點離開，然後回到地球見到弟弟，是12：10。也就是，離開的時候，鐘錶的讀數顯示時間是2020年11點，回到地球后他這塊表顯示的是2020年12：10。

那麼同樣的，假設兄弟兩從地球分開的時候都帶著一塊表，假設這塊表也是出自同一個製表廠，是一模一樣一種器件組成的石英錶，並且從出生開始，就給他倆戴上，並且規定一生不準調時間，再回來遇到弟弟的時候，把兩塊放到一起，你會發現，弟弟戴的那塊表顯示的是2027年。

同樣的在這一過程中，弟弟的身體衰老了七年，弟弟那塊表也多走了七年。而哥哥的人生在這七年的時間裡只走了一個小時。

假設兄弟兩同生同死，如果哥哥沒有這一次太空旅行，排除其他意外，哥哥和弟弟可能都活到80歲入土。

但是有了這次旅行，弟弟80歲過世。

而哥哥，活了87歲。

哥哥這87歲年齡，是地球人觀測者，也就是弟弟或者其他人看到的觀測到的。

而在哥哥自己的感覺中，他其實就活了80年，並沒有覺得時間延長。假設還是兄弟兩戴的這兩塊表，兩個人一輩子都再沒調過時間，弟弟去世的時候，鐘錶顯示是2080年，也是地球上的2080年。等哥哥去世的時候，他的鐘表顯示的（一直不能調時間），也是2080年。但是實際地球的年份是2087年。

所以站在上帝視角，哥哥和弟弟，都過完了自己80年的生命，誰都不比誰少。

如果是一個嬰兒，在地球一出生就扔到了那個外星球，等他到了8歲（戴著地球上的一塊表一起離開，顯示時間過了8年），再回到地球，其實父母已經老死了，而他，真的只有8歲。再假設你住在一個潘多拉星球上，一直在觀察地球和星際穿越裡那個外星球，把兩個雙胞胎小孩從一出生一個扔到地球，一個扔到那個外星球，裝上監控看他們的生命軌跡

相當於一部電影，正常進度一個小時看完，一部電影，你開啟慢放鏡頭，過了五個小時看完，而這兩部電影，講的都是同一個故事，傳遞的信息是一樣的。

沒錯，這就是相對論。

正如《The Science of Interstellar》紀錄片中肖恩論證，“引力越大，時間消逝的速度越慢”，庫珀去了一個比地球引力大很多的星球，若是去了一個引力比地球小很多的星球，可能庫珀在外星工作7年回來，地球只過了一個小時，他也就有更多時間陪女兒了吧。

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