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星际穿越

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  • 品牌:湛庐文化
  • 出版社:浙江人民出版社
  • ISBN:9787213066856
  • 外文书名:The Science of Interstellar
  • 语言:中文
  • 作者:[美]基普·索恩(Kip Thorne)
  • 译者:苟利军,王岚,李然,等
  • 包装:平装
  • 页数:404
  • 出版时间:2015-06-01
  • 印次:1
  • 印刷时间:2015-06-01
  • 中国法分类号:P159-49
  • 用纸:铜版纸
  • 条形码:9787213066856
  • 主题词:宇宙-普及读物

产品特色

编辑推荐

  

  北京时间2016年2月11日23:40左右,激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授DavidReitze宣布,人类首次发现了引力波。
  

  

  而LIGO的创立人之一就是《星际穿越》的作者基普?索恩。他是当今引力物理与相对论天体物理学领域的集大成者,在黑洞、虫洞、引力波等广义相对论主题的研究上作出了极大的贡献。尤其是在引力波方面,他无疑是世界泰斗之一。不妨听听索恩解读LIGO项目的建立,探索引力波背后的科学原理,以及他乐享宇宙弯曲一面的梦想。
  基普·索恩写给所有人的天文学通识读本,揭示《星际穿越》电影幕后的科学事实、有根据的推测和猜想,解开黑洞、虫洞、星际旅行等一切奇景的奥妙。
  一部媲美《时间简史》的巨著,同名电影幕后科学顾问、天体物理学巨擎基普·索恩巨献,《火星救援》科普版。
  国家天文台8位天体物理学科学家领衔翻译。国家天文台苟利军、王岚、李然、尔欣中、王乔、李楠、王杰、谢利智8位博士重磅担纲翻译,文字优美,将这本极富科学内涵的图书演绎得极为通俗易懂和精彩。
  史上豪华推荐人阵容,好莱坞导演克里斯托弗·诺兰、北京天文馆馆长朱进专文作序,欧阳自远等3大院士、李淼、魏坤琳等5大科学家、《三体》作者刘慈欣联袂推荐:中国月球探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远,高能天体物理学家、中国科学院院士李惕碚,知名天体物理学家、中国科学院院士武向平,中国科学院高能物理研究所和国家天文台双聘研究员、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南,知名物理学家、中山大学教授李淼,国家杰出青年科学基金获得者,国家天文台研究员及宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷,加州理工学院物理学教授陈雁北,北京大学心理学系副教授、博士生导师魏坤琳(Dr。魏),中国当代知名的科幻作家、热销书《三体》作家刘慈欣鼎力推荐,带你探索宇宙奥秘。
  14大视频随书讲解,打造科普阅读新体验!苟利军、王乔和王岚三位专家对于书中的黑洞、虫洞、高维空间和时间旅行等主题特别录制了讲解视频,随书同读,穿越无限。
  四色精美印刷,炫酷视效,带你穿越时空、遨游宇宙!史上惊艳、走心的科普巨制!
  湛庐文化出品。
  
  

内容简介

  

  在《星际穿越》之后,这一系列问题全世界都在问!本书将会告诉你答案!
  为什么黑洞会吞噬一切,甚至连光都不能幸免?
  为什么虫洞不是一个洞,而是一个球?
  又是什么神奇的力量,让米勒星球上的一小时等于地上七年?
  一本简明清晰的时间与空间理论入门读本。基普·索恩教授,电影《星际穿越》的科学顾问,以浅显易懂的语言一一破解了宇宙中让人瞠目结舌的奇景——大爆炸、黑洞、时空弯曲、潮汐力、虫洞、引力弹弓、星际旅行等,解释了所有推动剧情的天体物理学理论,还就内容的真实性将书中的科学知识分为三种:科学事实、有根据的推测和猜想,并做了明确的标注,以帮助我们解开所有剧情设计与时空旅行之谜!
  《星际穿越》是继霍金的《时间简史》之后天体物理学领域的又一里程碑式著作。
  获得雨果奖《三体》一书作者刘慈欣称基普.索恩教授不仅是天体物理学领域的巨匠,更是位艺术大师!在他逻辑严密的计算和对模拟效果的孜孜追求下,就连掷地有声的硬科学也变得如此柔情,如此绚丽,让人着迷。
  当科学的严谨遇上真性情,令人惊叹的化学反应自然会生生不息。
  

目录

推荐序1  请温柔地走进科学的良夜
推荐序2  星际穿越,不确定性的美妙
中文版序 科学的力量
译者序   探秘人类知识的未知疆域
前言 科学,美丽而迷人
引言 一场华梦,九年曲折:电影《星际穿越》的创生
【琳达.奥布斯特】最杰出的好莱坞搭档
【史蒂文.斯皮尔伯格】谁是最初的导演?
【乔纳森.诺兰】一波三折的编剧遴选
【克里斯托弗.诺兰】意外接棒的好莱坞顶尖导演
【保罗.富兰克林、奥利弗.詹姆斯、尤金妮娅.冯.腾泽尔曼】视觉特效的缔造者们
【马修.麦康纳、安妮.海瑟薇、迈克尔.凯恩、杰茜卡.查斯坦】精彩“穿越”背后的好莱坞巨星们
第一部分  宇宙奥秘,穿越之钥
01  宇宙的终极真相
大爆炸,宇宙诞生
万亿星系与黑洞
太阳系
恒星的死亡:白矮星、中子星和黑洞
宇宙中的电场、磁场与引力场
02 主宰宇宙宿命的法则
揭秘物理世界的四大定律
科学事实、有根据的推测和猜想
03  弯曲时空和潮汐力
爱因斯坦的时间弯曲理论
弯曲的空间:超体和我们的宇宙膜
潮汐力,米勒星球巨浪的来源
04 黑洞,光都无法逃逸的牢笼
蹦床上的蚂蚁,黑洞弯曲的空间
视界困住的信号,黑洞弯曲的时间
无可抵抗的空间“漩涡”
精确刻画黑洞附近的弯曲时空
从宇宙中观测到的黑洞外貌
“踩着彼此的肩膀”的黑洞发现史
第二部分 卡冈都亚,黑洞中的巨人
05 黑洞卡冈都亚的构造
1亿倍太阳质量,米勒星球被撕碎的临界点
“天上一时,地上七年”,自旋速率大揭秘
卡冈都亚的结构奥妙
火壳,被禁锢的光线
06 引力弹弓
21世纪科技都无法解决的加速困境
驶往米勒星球的弹弓之旅
星系中心的中等质量黑洞,最佳弹射弹弓
超级文明的航行轨迹
“卡西尼”号,现实中的“巡逻者”号
07 打造黑洞卡冈都亚
黑洞阴影及其火环
无自旋黑洞的引力透镜效应
快速自旋黑洞的引力透镜效应
制造《星际穿越》中黑洞和虫洞的视觉特效
引力弹弓旅程中的景象
08瑰丽奇美的吸积盘与喷流
类星体,小天体里的大能量
能量发动机——黑洞与吸积盘
喷流:从回旋空间中提取能量
吸积盘从何处来?潮汐力撕裂恒星
卡冈都亚的吸积盘与丢失的喷流
09 事故是进化途中的第一步
第三部分  地球大灾难
10  毁灭人类文明的枯萎病
库珀的世界——只比活命好一点儿
何种灾变才是罪魁祸首
泛型枯萎病,所有生物的终极杀手
11  氧气危机
可呼吸氧气的生产与破坏
海洋翻动,所有人都将死于二氧化碳中毒
12  星际旅行, 寻求地外生命支持
最近恒星离我们有多远?
21世纪技术条件下的旅行时间
未来的技术
热核聚变推进系统的实现时间表——22世纪晚期?
激光束与光帆技术的实现时间表——22世纪?
双黑洞的引力弹弓
第四部分  虫洞,超太空跳跃的桥梁
13 虫洞,危险与希望的并存体
苹果,虫洞之名的灵感源
福拉姆虫洞,最早的虫洞
虫洞的塌缩
《超时空接触》,一个可穿越虫洞的疯狂构想
可穿行虫洞应该是什么样子?
虫洞是否可以像天体一样在宇宙中自然存在?
超级发达文明,可穿行虫洞的唯一希望?
一个极度未知的领域
14《星际穿越》中虫洞的可视化
虫洞的引力和时间弯曲
3大“把手”,虫洞形态各异的根源
“把手”如何影响虫洞的外观?
虫洞长短,穿越景象各异的决定者
虫洞的透镜宽度,引力透镜效应大不同
《星际穿越》中动人心魄的虫洞
穿越虫洞之旅
15 引力波如何发现虫洞
LIGO发现引力波暴
当一颗中子星围绕黑洞公转时?
引力波源,虫洞的另一端
诺兰缘何弃用引力波?
引力波以及探测引力波的仪器?
“宇宙弯曲的一面”
原初引力波,宇宙诞生一瞥
第五部分 探索黑洞卡冈都亚的周边
16 米勒星球,未被吞噬的幸存者
米勒星球的运行轨道?
时间变慢与潮汐力形变
空间回旋,米勒星球速度的制衡要素
米勒星球上的巨浪
米勒星球的“一生”
从米勒星球遥望卡冈都亚
17  黑洞卡冈都亚振动之谜
未被罗米利展示的重要数据
共振频率,驾驭引力异常的关键
18 第二选择,曼恩星球
曼恩星球,一个缺少太阳的世界
通向曼恩星球的旅程
冰云,到达曼恩星球
是谁打造了曼恩博士的地质数据
19 “永恒”号的夹缝求生
潮汐力与“永恒”号的设计
曼恩星球上方轨道处的真实爆炸
第六部分 极端物理
20 第四维度和第五维度
作为第四维度的时间
超体:真实还是虚构?
第五维度
21 预示未来人类的超体生物
二维膜与三维超体的碰撞
当五维世界的超体生物穿过我们的三维膜时
超体生物的特征和他们的引力
《星际穿越》中的超体生物
22限制引力
五维空间的引力难题
膜外维度是卷曲的吗?
膜外维度:反德西塔(AdS)弯曲
AdS三明治:超体中的充足空间
危险:三明治是不稳定的
穿越AdS层
23 引力异常,墨菲口中的“幽灵”
火神星,水星轨道异常进动的幻象
“暗物质”,星系之间相互绕转轨道的异常
宇宙加速膨胀的异常
条形码式灰尘,《星际穿越》中的引力异常
24  布兰德教授的方程
墨菲和教授两人的笔记以及黑板
第五维度,引力异常的来源
超体场,引力强度的控制因素
虫洞必须连通!
保护我们的宇宙不被摧毁
教授方程的终极答案
25 奇点和量子引力
量子定律,一切宇宙问题的解
奇点:量子引力的领地
基普vs.霍金,裸奇点的赌局
黑洞内的BKL奇点
黑洞的下落奇点与外飞奇点
第七部分  穿越之门已经开启
26 临界轨道,“火山口”的边缘
潮汐力,使“永恒”号挣脱曼恩星球
临界轨道和火山类比
火山的含义:引力能和圆周运动能
临界轨道:离心力和引力的平衡
边缘处的灾难:塔斯和库珀的弹出
驶向埃德蒙兹星球
27  进入黑洞卡冈都亚:落入视界的库珀与塔斯
为什么让库珀掉入黑洞?
穿过视界——永无对等的信号收发
下落起点VS外飞奇点,击中“巡逻者”号的最佳选择
库珀在卡冈都亚内部看到了什么?
被超立方体营救
28  超立方体
点-线-平面-立方体-超立方体
库珀被运送到超立方体中
停靠:墨菲卧室的景象
诺兰复杂化的超立方体
29  向过去传递信息
向电影《星际穿越》的观众传递规则
克里斯托弗·诺兰关于时间旅行的规则
传递信息给墨菲
没有超体的时间旅行
有超体存在的时间旅行
给墨菲传递信息——一个物理学家的解释
穿过第五维度接触布兰德
30 发射太空殖民飞船
科学的指引
在哪里可以获得更多信息?
技术札记
致 谢

精彩书摘

  一场华梦,九年曲折:电影《星际穿越》的创生
  琳达.奥布斯特(LYNDA OBST)
  在一次晚餐中,琳达跟我说了她的一个想法。她构思了一部科幻电影,想让我帮她付诸实践。这将是她二度涉足科幻电影 :之前,她曾与卡尔·萨根合作拍摄电影《超时空接触》。
  我最杰出的好莱坞搭档
  一段失败的罗曼史最后发展成了开创性的友谊和合作关系,这段经历便是《星际穿越》这部电影的种子。
  1980 年 9 月, 我 的 朋 友 卡 尔.萨 根(CarlSagan)给我打了个电话。他知道我是一个单身父亲,独自抚养着十几岁的女儿,在南加州过着单身汉生活,并且在从事理论物理专业的工作。
  卡尔打电话给我,建议我参加一次相亲——与琳达 .奥布斯特一起参加一场首映活动。那是为卡尔即将上映的一部系列剧《宇宙》举办的。
  琳达是一位睿智漂亮的编辑,在《纽约时报杂志》(New York Times Magazine)工作,主要负责“反主流文化和自然科学”版块,当时刚刚搬到洛杉矶——她其实极不情愿到这儿来,但无奈拗不过她丈夫,不过这也加速了他们的离婚。这一切糟糕事情中的唯一亮点是 :琳达开始尝试步入电影圈,参与构思一部名为《闪舞》(Flashdance)的电影。
  《宇宙》的首映礼在格里菲斯天文台(Griffith Observatory)举办,是一次正装
  活动,但我愚蠢地穿了一件浅蓝色燕尾服。洛杉矶所有有头有脸的人那天都在场!我虽然显得格格不入,但是却度过了非常愉快的时光。
  在此后的两年中,我和琳达时断时续地约会,但关系却没有更进一步的发展。虽然,她的激情迷住了我,但也使我身心俱疲。当时,我已经在犹豫这种疲惫是否值得,但无奈决定权不在我这一边。也许是因为我的丝绒衬衫和双面针织的肥大休闲裤,琳达很快就对我失去了兴趣,但是有一些更好的事情却正在发生 :来自不同世界的两个完全不同类型的人建立起了一段持久的、富有创造性的友谊和合作关系。
  时间快进到 2005 年 10 月,在我与琳达时不时进行的一次晚餐聚会中,我们从近期的宇宙学发现聊到了左翼政治,又从美味的食物一直聊到了电影制作的变化无常。彼时,琳达已经是好莱坞颇有才艺和成就的制作人(作品有《闪舞》 渔王》《超时空接触》十日拍拖手册》),而我也已经结婚。我的太太卡罗尔.温斯坦(CaroleeWinstein)已经成了琳达的好友。我在物理学界做得也还算不错。
  在一次晚餐中,琳达跟我说了她的一个想法。她构思了一部科幻电影,想让我帮她付诸实践。这将是她二度涉足科幻电影 :之前,她曾与卡尔 .萨根合作拍摄电影《超时空接触》。
  我从未想象过自己会参与一部电影的制作,在好莱坞与琳达一起冒险更是我做梦也没想过的。但是与琳达的合作很吸引我,特别是她提到了虫洞—— 一个由我开创研究的天体物理学概念,所以她轻而易举就拉我入伙了,并进行了一场头脑风暴。
  在接下来的 4 个月里,通过吃饭讨论、电子邮件和电话联系,我们粗略制定了电影的雏形——它包含了虫洞、黑洞、引力波、一个五维的宇宙,以及人类和更高维度空间里生物的缘分。
  但最重要的是,在我们的想象中,这部大片将根植于实实在在的科学,而且是人类认知的最前沿,甚至超过人类认知的科学。这部电影的导演、编剧和制片人都应对科学持有敬意,并且能从中寻求灵感,彻底地、令人信服地将科学融入电影素材中。这部电影应给观众呈现出宇宙中物理定律能够或可能创造的神奇事物,以及在掌握这些物理定律之后,人类可以成就的伟大事业。这部电影可以激发很多观众去了解科学,甚至可能让他们从此走向科学事业。
  9 年后,《星际穿越》这部电影实现了我们的所有想象。但是这一过程有如电影《宝林历险记》一般颇为曲折,曾有数次我们的梦想几近坍塌。我们一度找到了电影界的传奇人物史蒂文 ·斯皮尔伯格,但后来又错失了与他合作的机会。我们还找到了一位非常优秀的年轻编剧乔纳森.诺兰,然而在非常关键的阶段,我们却又两次错失了机会——每次都导致了长达数月的进度停滞。在两年半的时间里,这部影片无人问津,也没有导演。最后,奇迹般地,它在乔纳森的哥哥、最杰出的新生代导演克里斯托弗.诺兰的手中复活并焕发出了新的生机。
  史蒂文.斯皮尔伯格(STEVEN SPIELBERG)
  我 当 然 愿 意! 但 是 就 在 一 个 星 期 之后、具体见面时间都还未来得及安排时,琳达就打来了电话 : 斯皮尔伯格要签下我们的电影!”她欣喜若狂,我也一样。“这种事情从来没有在好莱坞发生过,”琳达告诉我,“从来没有!”但是,它的确发生了。
  谁是最初的导演?
  2006 年 2 月,在我们已经为这部电影琢磨了 4 个月的时候,琳达和托德 .费尔德曼(Todd Feldman)共进了一次午餐。托德是斯皮尔伯格在创新艺人经纪公司(Creative Artists Agency)的经纪人。当费尔德曼问起她当时正在筹备的电影时,琳达谈到了与我的合作,谈到了我们对于一部从头到尾包含真正科学元素的科幻电影的憧憬——我们关于《星际穿越》的梦。费尔德曼听后也非常兴奋,他认为斯皮尔伯格可能会感兴趣,并且敦促琳达当天就把一份剧本大纲给他(他要的剧本大纲应是一个大约 20 页或更长篇幅的有关故事和人物的介绍)。
  当时,我们写下的所有东西也只有几封电子邮件,以及几次晚餐讨论时所做的笔记而已。所以我们以旋风般的速度工作了几天,精心制作出了一份长达 8 页的剧本大纲。我们对这份剧本大纲非常自豪,并把它寄了出去。几天之后,琳达发邮件给我 :
  斯皮尔伯格已经读了,并且非常感兴趣。我们可能需要和他见一面。好戏开始了,愿意来吗?
  琳达
  我当然愿意!但是就在一个星期之后、具体见面时间都还未来得及安排时,琳达就打来了电话:斯皮尔伯格要签下我们的电影!”她欣喜若狂,我也一样。“这种事情从来没有在好莱坞发生过,”琳达告诉我,从来没有!”但是,它的确发生了。
  之后我向琳达坦白,我只看过斯皮尔伯格导演的一部电影——当然是《E.T.》,之所以这样是因为作为一个成年人,我一直对电影不是特别感兴趣。所以她给了我一份“家庭作业”,名为“基普必看的斯皮尔伯格导演的电影”。
  一个月之后的2006年3月27 日,我们和斯皮尔伯格进行了第一次会面 ——或者说史 蒂文,我已经开始这么称呼他了。我们在他位于伯班克的电影制作公司安培林娱乐(Amblin) 的核心地带见面, 那是一个舒适的会议室。
  在会议中,我向史蒂文和琳达提出了两条准则 :
  1. 影片中的情节不能违背已成定论的物理定律,也不能违背已牢固确立的我们对宇宙的认知。
  2. 对尚不明确的物理定律和对宇宙的猜想(通常十分疯狂)要源自于真正的科学。猜想的依据至少要被一些“备受尊敬”的科学家认可。
  史蒂文对此很认同,并且接受琳达的建议,召集了一组科学家和我们集思广益,组织起一个《星际穿越》研讨会。这个研讨会于 6 月 2 日在加州理工学院举行。会议室就在我办公室外走廊的另一端。
  那是一次长达 8 个小时的会议,14 位科学家兴奋地畅所欲言(包括太空生物学家、行星科学家、理论物理学家、宇宙学家、心理学家和一位空间政策专家),与会的还有琳达、史蒂文、史蒂文的父亲阿诺德(Arnold)和我。我们聚到一起,虽筋疲力尽,却收获了大量的新思路,并否定了一些不成熟的旧想法。这帮助琳达和我修改并丰富了我们最初的剧本大纲。
  由于还有其他事情要做,所以我们花了 6 个月时间才完成电影的剧本大纲。到 2007 年 1 月,我们的剧本大纲已经长达 37 页,此外还有 16 页关于电影所涉及科学的介绍。
  一波三折的编剧遴选
  与此同时,琳达和史蒂文开始物色编剧。这是一个漫长的过程,最终,他们把目光聚集在了乔纳森.诺兰这个年仅 31 岁的年轻导演身上。他刚和哥哥克里斯托弗合作过两部影片——《致命魔术》和《蝙蝠侠前传 3 :黑暗骑士崛起》,而且都是大热影片。
  乔纳森(他的朋友叫他乔纳)虽然对科学知识的了解非常少,但他聪明,富有好奇心,又很好学。他花了几个月时间啃书本,以便了解关于《星际穿越》的所有科学知识。同时,他还提出了很多尖锐的问题。他为我们的电影提出了许多重大、新奇的想法,我们欣然接受。
  与乔纳一起工作是一件让人愉快的事情。很多个中午,他和我在加州理工学院的教工俱乐部中一起开动脑筋讨论关于影片的科学问题,通常会长达两三个小时。乔纳总是带着很多新主意和问题来与我共进午餐。有些问题我可能当场就能回答 :“这在科学上是可能的,但那个不行……”但我的回答有时也是否定的。此时,乔纳就会敦促我多想想 : 为什么?如果那样将会如何?”但是我反应比较慢,有时就算到了该睡觉时也没有理出个头绪来。但在半夜,当人的本能反应被抑制时,我通常能找到一些方法使他想要的东西成立,或者找到一种替代方法达到他的最终目的。慢慢地,我开始变得善于在半睡半醒的时候进行创造性
  思考。
  第二天一早,我通常会整理半夜写下的那些不太清楚的笔记,“破译”它们,并将之写到发给乔纳的邮件里。他可能会给我打电话、发电子邮件或者再约一次午餐,这样我们便能整合思路。通过这种方式,当我们探讨到引力异常(gravitational anomalies)以及如何利用它使人类飞离地球的时候,我恰好在当前知识领域的认知范围内发现了一些方法,让这些异常现象在科学上成为可能。
  在关键时刻,我们常常把琳达拉进来。她非常善于批判我们的想法,然后引领我们转向新的方向。在与我们一起为电影开动脑筋的同时,她还运用自己的神奇魔力阻止派拉蒙电影公司的干涉,好让我们保有创新自主权。此外,她也在计划下一步,即把《星际穿越》变成一部真正的电影。
  到 2007 年 11 月,乔纳、琳达、史蒂文和我基本就故事结构达成了共识。整个故事经过了大面积修改,融合了琳达和我的最初剧本大纲、乔纳的伟大创意以及从我们的讨论中产生的许多新想法。然后,乔纳就开始全力投入剧本写作的工作。但是,2007 年 11 月 5 日,美国作家协会号召罢工。乔纳被禁止继续写作,随后就消失了。
  我一下就慌了。我们所有的辛苦工作、我们的梦想难道就这样付之东流了?我询问琳达,她劝我要有耐心,但她自己显然也非常沮丧。她把这一切都生动地写进了她的书《好莱坞不眠夜》(Sleepless in Hollywood)中的第 6 章,题目是“大灾难”。
  罢工持续了 3 个月,于 2008 年 2 月 12 日结束。此时,乔纳回来了,接着写他的剧本,并且与琳达和我进行了密集的讨论。在随后的 16 个月中,他创作出了一份详细的剧本大纲,并先后修改了 3 遍。每一次完成的时候,我们都邀请史蒂文加入讨论。史蒂文总会提出些尖锐的问题,这通常会持续一个小时或更久。然后,他会给出很多建议、要求以及修改的指令。他并不怎么亲自动手,但他却很周到、犀利、有创意,有时还很严格。
  2009 年 6 月,乔纳把剧本草稿的第 3 版给了史蒂文,然后就又“消失”了——在很久以前,他就接下了电影《蝙蝠侠前传 3 :黑暗骑士崛起》的剧本写作工作,却拖延了一月又一月,把时间都花在了《星际穿越》上。这时他不能再拖延,于是我们就没有编剧了。雪上加霜的是,乔纳的父亲此时也身患重病。乔纳在他父亲最后的几个月时间里,一直陪伴在伦敦,直到当年的 12 月份。经过这个漫长的沉寂,我越发担心史蒂文会因此失去兴趣。
  但史蒂文和我们一样在等待——等待乔纳的回归。虽然他和琳达完全可以请其他人完成剧本,但他们十分看重乔纳的才华,所以他们一直在等待。
  2010 年 2 月,乔纳终于回来了。3 月 3 日,史蒂文、琳达、乔纳和我进行了一次颇有成效的会面,主要讨论 9 个月前的第 3 版剧本。我感到一丝欣喜。终于,我们又回到了正轨。
  时间不知不觉就到了 6 月 9 日,乔纳已经在全力修改第 4 版剧本。而此时,我却收到琳达的一封邮件 :史蒂文的协议现在出了点儿问题。我在想办法。
  ……
  黑洞,光都无法逃逸的牢笼
  黑洞卡冈都亚在《星际穿越》这部电影中扮演着重要角色。我们将在本章介绍黑洞的一些基本知识,并在下一章着重研究卡冈都亚。
  首先,请记住一个看似古怪的事实 :黑洞就是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的,除此无他。
  蹦床上的蚂蚁,黑洞弯曲的空间
  假设你是一只蚂蚁,生活在一张儿童蹦床上——就是那种由高高立柱支撑起来的橡皮膜。此时,一块很重的石头落在其上,把橡皮膜拉向下方(见图 4-1)。不过,你是一只失明了的蚂蚁,看不见立柱、石块或者弯曲的橡皮膜。但你是一只聪明的蚂蚁,你怀疑自己生活与其中的整个宇宙(橡皮膜)是弯曲的。为了验证橡皮膜的形态,你先在橡皮膜上方靠外围的区域绕了一圈,并测量了圆圈的周长,然后你从这个圆圈的一头穿过中心点径直爬到另一头,并测量了圆圈的直径。如果你所在的世界是平直的,那么圆圈的周长和直径的比值应该正好等于圆周率,即 π(3.14159...)。可是在蹦床上,你发现圆圈的周长比直径还要小得多。这让你肯定,你的宇宙是高度弯曲的!
  ……

前言/序言

                                       科学的力量
  电影《星际穿越》在中国引发了令人兴奋的热潮——热度超过世界上任何国家(或许除了韩国)。虽然,这部影片在美国也非常受欢迎,但还远不及在中国的热度。
  我想这种热情很大程度上源于《星际穿越》中包含的大量真实的科学信息。我猜相比于美国文化来说,推崇学习的中国文化更乐于接受科学知识。所以,《星际穿越》在中国能够诱惑更多对科学感兴趣的人。我希望这本书的中文版能够像铁钩一样钩住这些感兴趣的人。
  我希望我的书可以紧紧钩住年轻人,促使他们考虑投身科学事业。我也希望我的书可以紧紧钩住年长的人,让他们可以在余生中保持对科学的好奇心,并在日常生活中尝试应用科学原理。我衷心地希望这本书能够在中国加深人们对科学的认识。
  每一次重温与吹毛求疵都是一个维度打开的机会
  现在,距离《星际穿越》在世界范围内上映已经过去了 5 个月。这也给了我一个回复过去 5 个月来人们对电影的种种观点的机会。
  通过与数百位观影者的对话和通信,我十分清醒地认识到,《星际穿越》不是通过一次观影就可以完全理解的。很多关键的科学概念在电影对话中仅仅出现了一次,而直到电影后半段,这些对话的意义才显现出来。 看几次电影并认真思考。因此在第一次观看时,人们很容易就忘掉了这些关键的对话,或者忽略了它们的重要性。很多科学信息只有看过电影两三次后才会变得清晰,而有些关键信息则需要更多的思考。
  一个典型的例子是阿梅莉亚 · 布兰德(Amelia Brand)在米勒星球上的一段简短讲话(在大浪卷过“巡逻者”号致使道尔 [Doyle] 丧生后)。“他们,”她说,“是五维的生命。对他们来说,时间也许只是另一个物理存在的维度。对他们来说,过去也许只是一个他们能够跋涉进入的峡谷,而未来是一座他们可以攀登上的山峰。然而,对我们来说,并不是这样,明白吗?”在电影最后段,我们看到男主角库珀(正乘坐超立方体[tesseract] 进入五维空间)沿着超立方体的对角线向上移动,相对于地球时间前往未来。我们稍微想一下就会明白,如果他在超立方体中向下运动,就会回到地球时间的过去。在五维世界里,库珀做到了阿梅莉亚所说的“他们”(五维世界的居民)能做到的事情。但若想完全理解这一切,大多数观众需要反复看几次电影并认真思考。
  有时,在某些情节结束后,关键的解释才会出现在电影中,为观众(部分)厘清思绪。一个典型的例子是“超立方体”。在电影中,这个名词只在超立方体关闭的时候出现过一次。如果观众知道超立方体是指一个四维的立方体,并且知道当一个人处在超立方体的一个三维表面中时,他会被六个相对的表面环绕,那么也许就会开始理解之前半个小时的电影情节 :库珀在环绕的三维表面上看到了他女儿墨菲的多个影像。
  因此,我也希望这本书能够扮演电影指南的角色,帮助读者抓住电影中的科学概念,理解这些概念和现代科学的联系。有些影迷会希望享受反复观影带来的乐趣和智力挑战,只是在最后才阅读本书,以拓展视野。另一些观众也许会在观影前,或者是第一次观影后阅读本书,从而在接下来的重温中更加充分地享受电影。
  在美国,一些权威人士总喜欢在每一部科幻电影刚刚上映时就对其吹毛求疵,傲慢地向人们指出电影存在这样或者那样的科学问题。《星际穿越》也未能幸免。人们从电影上映的第一周就开始挑刺,大多数人甚至不知道这本书的存在。华纳兄弟娱乐公司禁止我们在电影上映前为书做广告,这可能是因为担心书的广告会带给人们“电影太科学,对普通人来说难懂无趣”的印象。但是华纳兄弟允许我们在电影全球上映的同时打出广告。很多傲慢的评论者在写下批评数天后发现了这本书,在读过本书后,他们发现了自己的错误。我很惊讶他们中只有极少数承认了自己的错误,但我很高兴还是有人这么做了。
  一个很常见的错误是评论者宣称米勒星球(靠近黑洞卡冈都亚[Gargantue])上的一个小时不可能等于地球上的七年。这些傲慢的评论家们之所以会犯错,是因为他们对时间变慢的理解只是基于广义相对论对无自旋黑洞的预言。但是正如书中所解释的,黑洞的自旋,会创造一个飓风型的空间漩涡,从而保护行星不落入黑洞中。因此,行星可以非常靠近黑洞,而不被撕裂。在那里,时间流动大幅地变缓。如果黑洞卡冈都亚转得非常快,米勒星球上的一个小时确实可能等于地球上的七年。
  权威人士的其他批评倒是可以原谅,因为在电影中有些关于科学背景的暗示十分简短,不够充分,即使看过电影 20 次也未必能够领悟。在这些情况下,只有阅读本书才能完全理解,比如在电影高潮处扮演了重要角色的、诺兰设计的复杂超立方体。
  每一个华丽特效都是一场严谨的科学追求
  我科学生涯的一个重大乐趣是与保罗.富兰克林(Pual Franklin)的视觉特效团队一起打造了《星际穿越》中的虫洞、黑洞卡冈都亚以及卡冈都亚的吸积盘。这一合作的最高成就是 , 保罗因为《星际穿越》的视觉特效获得了奥斯卡最佳视觉特效奖以及英国电影与电视奖。几天前,我在伦敦访问了保罗和他的双重否定团队,并享受了和他们一起手持奖杯拍照的乐趣 。
  (这是双重否定公司的研发团队,他们是打造电影《星际穿越》中惊人、奇美特效的“神之手”。站在正中间的是我,我手上捧的是奥斯卡最佳视觉特效奖的奖杯。我的左面是团队的首席科学家奥利弗·詹姆斯,其手上捧的是英国电影与电视奖的奖杯。)
  正如我在本书中写到的那样,我和团队的首席科学家奥利弗?詹姆斯以及艺术团队的负责人尤金妮娅?冯?腾泽尔曼(Eugénie Von Tunzelmann)的合作尤其紧密。在2013年7月的一天,奥利弗建议我们改变生成电影中图像的办法。我们过去用的是科学家和电影制作者的标准算法,计算光线从光源(比如遥远的恒星)出发,到达虚拟摄像机(在黑洞卡冈都亚附近)的传播路线。这些光线构成了我们所看到的图像。但是这个方法有个问题:在IMAX巨幕上,即使用2300万条光线产生一个图像,当恒星在银幕上移动时,这个图像仍然会出现闪烁。奥利弗建议我们改进方法,不再计算一条条单独的光线路径,而是计算光束(由光线组成)的截面形状和传播路径。我给了奥利弗必要的方程,并一同工作了数周以完善这个新的方法。新的方法棒极了!图像的闪烁消失了,我们可以在前所未有的精度和平滑度上创作电影图像。我们总结了这一新的方法,并发表了一篇技术论文。很有可能,科学家和电影制作者接下来都会在某些视觉化项目中尝试我们的新方法。
  奥利弗、尤金妮亚、保罗.富兰克林和我利用新的计算机程序(我们将之命名为“双重否定引力渲染器”)探索了在快速旋转的黑洞附近,虚拟摄像机拍摄到的景象——摄像机的位置比电影中与黑洞的距离近得多。我们发现,从遥远恒星发出的光线传播进入摄像机,分裂出了大量的像。这些像都聚集在黑洞阴影的一个边缘。在这个边缘处,黑洞周围的空间漩涡朝向虚拟摄像机。这个发现的意义不算重大,但是却十分有趣。我们将相关的讨论也写在了上面提到的技术论文中。在另一篇面向物理学学生的技术论文中,我们描述了如何在个人电脑中制作《星际穿越》中虫洞的图像。
  在宇宙的狂野风暴中,乐享那宇宙弯曲的一面
  人们常常问我,在参与电影《星际穿越》的工作时,我在进行什么样的物理学研究。答案并不出奇,是关于在遥远宇宙中的弯曲时空——我自己喜欢称之为“宇宙弯曲的一面”。也就是研究弯曲的时空,比如黑洞、虫洞以及奇点造成的种种现象。我感兴趣的课题是关于由弯曲的时空引发的“宇宙风暴”——海洋风暴的宇宙版本。电影《星际穿越》中展现的时空弯曲是平静的,就好像海上平静的日子。但是,如果两个旋转的黑洞出现碰撞,它们就会让时空漩涡变得狂暴起来。时间的流逝急剧变慢,又突然地加速,并持续疯狂地震荡。这也会让空间的几何发生疯狂的变化。
  与我合作的是一群来自加州理工学院、康奈尔大学和其他地方的年轻科学家,他们通过计算机数值模拟来研究这些“风暴”。这是被我们称作“极限时空”(eXtreme Spacetimes,SXS)的研究计划的一部分。我和SXS团队的另一个成员马克.谢尔(Mark Scheel)一起总结了我们的一些奇妙发现,并发表在了技术论文中。
  我们的研究并不仅局限于理论方面。风暴化的弯曲时空会产生引力波(时空中的涟漪),而引力波又会将风暴的信息带来地球。激光干涉引力波天文台(LIGO计划,1983年启动,我是奠基人之一)会从2015年起采用一套更先进的引力波探测器来做搜寻工作。
  在很多年前,我已经将LIGO的领导权移交给了年轻一代的科学家,但我仍以极大的兴趣关注着他们的出色工作。我很有信心,在接下来的数年间,他们会真的探测到碰撞的黑洞发出的引力波信号,而我们则可以从观测分析的角度利用这些引力波来研究弯曲时空的狂野风暴。
  当挑战演变成人类大危机时,请追随科学的巨大力量
  在《星际穿越》中,人类生活的地球正遭遇着生物危机。大多数人为了生存而放弃了科学,只有少数人在利用科学的力量与危机作斗争,并试图拯救人类。在五维空间的居民——超体生物(bulk beings)的帮助下,这些人最终取得了胜利。
  让我们感到幸运的是,我们今时今日的现实世界并未处于危机中。但是,我们也面临着一系列挑战。如果不能妥善处理,它们都可能演化为巨大的危机,比如,加速变化的气候、进化了的生物病原体(就好像埃博拉病毒)以及核武器的扩散。在面对这些挑战时,科学是一个非常有力的工具。但是,正如在《星际穿越》中展现的那样,很多人,甚至是掌握力量的政治领导人,都背离科学而去。他们或者拒绝相信这些危机的严重性,又或者希冀找到与科学无关的解决方法。
  我希望《星际穿越》,这部被上亿人观赏了的影片,能够传递重要的信息:科学在处理严峻挑战时蕴含着巨大的力量;在挑战演化成重大危机前,用科学应对是非常重要的。这也正是克里斯托弗?诺兰和乔纳森?诺兰所希望的。
  基普.索恩
  于加州理工学院
  帕萨迪纳市,加利福尼亚州
  2015年4月7日

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