星际穿越》是一部热度很高的硬科幻电影，也激起了不少理科生对物理的热情，这部电影主要讲了主人公库珀一行人太空探险利用他们针对虫洞的新发现，超越对人类对太空旅行的极限，从而在广袤的宇宙探索的故事。而今天我们主要盘点一些《星际穿越》中值得去思考的问题。
01
为什么地球末日来临除了玉米什么植物都种不活呢？
在影片中提到，我们的星球因为枯萎病，很多植物都无法生存
“七年前杀死了小麦，今年是秋葵，现在只剩下玉米了……而玉米也会绝迹，很快”。
而这一理论也非常有科学道理。
玉米的这一特性是由它独特的固定碳的方式决定的。在水稻和小麦中，被吸收的二氧化碳进入细胞后，首先需要和一种名为二磷酸核酮糖的含有5个碳原子的分子（记为C5）结合，产生两个分别含有3个碳原子的分子（记为C3），其中一个C3分子通过一定的反应重新变为C5分子，而另一个C3分子则被合成为含有6个碳的糖类。因此，通过这种过程固定二氧化碳的植物，就以其最初产物的碳原子数目，命名为C3植物。而催化最初C5和二氧化碳结合的酶，被称为二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）。
下面是C3→C5循环图：
然而，这个酶有一个致命的缺陷——在二氧化碳浓度不足、光照过强或温度过高的情况下，它会选择利用氧气氧化C5分子。这样一来，在这个称为光呼吸的过程中，这个酶非但不能固定二氧化碳，反而会消耗C5分子——这对于需要通过固定二氧化碳来获得有机物的人类来说，是一个重大的损失。
然而，玉米却巧妙地规避了这一点。它的叶肉细胞分化为两种类型，一类和小麦、水稻类似，松散分散在叶片之中，而另一类则紧密围绕在叶脉周围。在那些直接和空气接触的松散叶肉细胞内，一种称为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的酶代替RuBisCO来固定二氧化碳，这种酶对二氧化碳有很强的亲和力，而最初的碳固定产物是一个具有4个碳原子的分子（记为C4）。相应的，玉米被称为C4（碳四）植物。由于PEPC并不利用氧气，因此避免了碳的损失。而结合了二氧化碳的C4产物，则进入包围叶脉的细胞之中，在那里脱下二氧化碳，进行和C3植物中类似的产生糖类的过程。这样做的好处很明显：二氧化碳被富集到了围绕叶脉的细胞之中，此时RuBisCO的氧化活性被细胞内较高浓度的二氧化碳所抑制，光反应所造成的碳损耗远低于C3植物。
如果你看晕了不要紧，综上概括起来就是，玉米这类C4植物可以主动“捕获”二氧化碳，而其他C3植物更像是“守株待兔”。
正因为有着这种特殊的固碳技巧，使得玉米更加耐受高温、高光强和低二氧化碳浓度。这三大优势让玉米在应对未来可能遭遇的末日环境中占据了先机。短期来讲，大气内二氧化碳浓度的上升对植物来说是有益的，然而过多二氧化碳造成的全球平均温度上升，加强了总体光呼吸的损耗，而玉米能在高温和强光照射下依然保持较高的光合速率，这无疑对保证粮食的产量是有益的。而就长期来说，大气二氧化碳并不会无节制地升高——在高温和强光下，地壳内丰富的硅酸盐的风化将加快，大量二氧化碳在硅酸盐风化时被吸收，并固定于地壳之中。这一过程中大量丢失的二氧化碳将造成地球碳循环的崩溃。那时，不耐受低二氧化碳浓度的C3植物将最先因不能得到足够的碳而“饿死”。而玉米，则可能是水稻、小麦这类C3植物消亡之后，人类得以残喘的为数不多的“救星”。
02
《星际穿越》的故事背景到底是过去还是未来时代？
在看电影的时候，我就有这样的疑问，到底星际穿越是以过去七八十年代为故事背景还是以未来世界为背景呢？要是以未来为背景，影片中所用的设备也过于落后，没有手机，用无线话筒传递消息，没有先进的医疗设备，没有炫酷的高科技产品，只有农田？但要以过去为背景会让读者有很强烈的虚假感，因为这是过去没发生过的，会让我们停止自己的思考，会误解这后面的科学知识完全是假设，不去思考他的合理性。
经过查阅一些资料，原来还是发生在未来。
2007年，编剧乔纳森-诺兰，制片人Lynda Obst和Kip Thorne一起在为故事的环境设定伤脑筋。怎么样让人类文明处于明显的衰退中，但看上去在许多方面还能正常的维持运作？枯萎病害死了所有可食用的庄稼，这合理吗？
Thorne首先承认了自己并非生物和环境方面的专家，所以他求助于自己在加州理工学院的同事。2008年的一天，上述三人邀请了四位生物和农业专业的教授，其中包括一名诺贝尔奖得主，一起吃了顿饭，集思广益。
乔纳森·诺兰先介绍了自己构思中的地球：北美人口缩减十倍以上，其他大陆情况差不多。人类退回到农业社会，为温饱而奋斗。但那又不是一个反乌托邦的世界，生活还是能够忍受的，某些方面也能让人感到幸福。很少的娱乐设施还在继续运转，比如棒球比赛。但人类失去了向前发展的希望，只求活下去。枯萎病从一种庄稼蔓延到另一种庄稼，到库珀的孙子辈也许人类就将灭亡。
所以当二氧化碳含量越来越高，很多植物会因无氧呼吸而中毒死亡，而植物死的越多，食草动物也会大量消失，以此恶性循环也就成了影片中人人都成为了农民，工程师每天只想着怎么填饱肚子，自然科学技术会合理的倒退。影片中还有一个细节是库珀开家长会是对一位认为科学无用论的老师说的一句话。
如图：
如果不是科技倒退而理解成是时代背景在一个没有发明出来核磁共振的时期，库珀也不会举这个例子怼老师。
03
《星际穿越》中为什么在不同星球人衰老的速度不一样？
初中的时候看这部电影就神奇就被这一细节难住，库珀拯救地球回来，几乎还是老样子，而他的女儿墨菲变成了即将临终的老人。为什么去了不同的星球连新陈代谢的速度，人体衰老的速度都会不一样呢？
下面我们来举个栗子
假设，有对地球上的双胞胎（长得一模一样），年龄都是30岁，有一天30岁的哥哥乘着宇宙飞船来到《星际穿越》所描述的星球，然后待了1个小时，赶紧乘飞船离开，回到地球（假设哥哥乘的这艘飞船科技很发达，会玩空间跳跃，一个跳跃就回到了地球，所花费的时间很短），然后跟弟弟团聚，发现弟弟比自己老了十多岁，也就是弟弟现在四十岁的模样，而现在自己，还是30岁的样子。
其实大多数人不明白的是，哥哥在那个外星球上待的那一个小时，到底是什么感受。
没错，他感受到的时间变化，就是一个小时，如果恰好他去的时候带了一块手表，他11点到达外星球，12点离开，然后回到地球见到弟弟，是12：10。也就是，离开的时候，钟表的读数显示时间是2020年11点，回到地球后他这块表显示的是2020年12：10。
那么同样的，假设兄弟两从地球分开的时候都带着一块表，假设这块表也是出自同一个制表厂，是一模一样一种器件组成的石英表，并且从出生开始，就给他俩戴上，并且规定一生不准调时间，再回来遇到弟弟的时候，把两块放到一起，你会发现，弟弟戴的那块表显示的是2027年。
同样的在这一过程中，弟弟的身体衰老了七年，弟弟那块表也多走了七年。而哥哥的人生在这七年的时间里只走了一个小时。
假设兄弟两同生同死，如果哥哥没有这一次太空旅行，排除其他意外，哥哥和弟弟可能都活到80岁入土。
但是有了这次旅行，弟弟80岁过世。
而哥哥，活了87岁。
哥哥这87岁年龄，是地球人观测者，也就是弟弟或者其他人看到的观测到的。
而在哥哥自己的感觉中，他其实就活了80年，并没有觉得时间延长。假设还是兄弟两戴的这两块表，两个人一辈子都再没调过时间，弟弟去世的时候，钟表显示是2080年，也是地球上的2080年。等哥哥去世的时候，他的钟表显示的（一直不能调时间），也是2080年。但是实际地球的年份是2087年。
所以站在上帝视角，哥哥和弟弟，都过完了自己80年的生命，谁都不比谁少。
如果是一个婴儿，在地球一出生就扔到了那个外星球，等他到了8岁（戴着地球上的一块表一起离开，显示时间过了8年），再回到地球，其实父母已经老死了，而他，真的只有8岁。再假设你住在一个潘多拉星球上，一直在观察地球和星际穿越里那个外星球，把两个双胞胎小孩从一出生一个扔到地球，一个扔到那个外星球，装上监控看他们的生命轨迹
，你会发现外星球那个孩子左手右手一个慢动作，跟蜗牛一样，而且他生长缓慢，发育缓慢，衰老缓慢，最后你会看到地球上那个小孩先老死，另一个慢动作过了很多年也老死了，其实这两个孩子自己感受到的时间是一样的。相当于一部电影，正常进度一个小时看完，一部电影，你开启慢放镜头，过了五个小时看完，而这两部电影，讲的都是同一个故事，传递的信息是一样的。
没错，这就是相对论。
正如《The Science of Interstellar》纪录片中肖恩论证，“引力越大，时间消逝的速度越慢”，库珀去了一个比地球引力大很多的星球，若是去了一个引力比地球小很多的星球，可能库珀在外星工作7年回来，地球只过了一个小时，他也就有更多时间陪女儿了吧。
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