星际穿越

请温柔地走进科学的良夜

克里斯托弗·诺兰

好莱坞顶级导演

在制作《星际穿越》这部电影的过程中，我最开心的一件事情就是认识了基普·索恩。他澎湃的科学热情在我们第一次见面时就强烈地感染着我，而且他十分严谨，不愿提出任何不成熟的意见。对于我向他提出的编剧方面的问题，他的处理总是冷静而慎重，并且总是遵循着科学定律。在试图让我保持科学理性的道路上，他从未对我的异想天开表示过不耐烦（虽然我在两个星期中对超光速的挑战曾使他温柔地叹了一口气）。

基普知道自己的角色并非科学“警察”，而是编剧的合作者。所以，他从学术期刊和论文中寻求解决问题的方案，那些问题通常是一些我把自己绕进去的死角。基普还教会了我领悟科学真谛的良方，告诉我科学在面对自然界的意外时，总是极具包容性的。这种态度使他从讲故事者的角度体味到了故事进入未知领域和遭遇悖论时带来的种种可能。

这本书充分展现了基普丰富的想象力，还有他对于科学普及的不懈热情，这使得我们这些不如他聪明和博学的人也能品尝到科学的乐趣。他希望人们能够理解宇宙的真相，并为此而激动。这本书编排得深入浅出，所有人都看得懂，而读者也可以不断地深入自己感兴趣的科学问题。

无疑，每一个人都将经历我在试图跟上基普的敏捷头脑时所获得的无限乐趣。

星际穿越，不确定性的美妙

朱进

北京天文馆馆长

无垠的宇宙，代表着不断挑战我们想象极限的时间和空间。在地球上，看上去科学技术正在经历一个前所未有的加速发展时期。甚至，已经有人开始担心在不远的将来，拥有自主智能的机器人会取代地球人类。

尽管如此，人类仍然是以地球和地球附近的空间作为基地，通过天文观测的手段去了解地球之外的宇宙。到目前为止，人类离开地球最远的距离以光速计量的话还不到两秒钟，而人类发出的走得最远的探测器，经过了将近40年的时间也才走了不到1天，那只是我们所处的太阳系的大约500分之一的距离，而我们的太阳系，只是银河系里上千亿个恒星系统中的一个。银河系又只是宇宙中上千亿个星系中的一员。

在如此众多的天体系统里，如果只有我们所生存的地球这一个行星上具有高等生命，那么这实在是令人难以相信的。随着天文观测手段的不断提高，我们有可能探测到地外生命的存在。然而，如果严格地遵循我们目前公认的物理理论，那么人类在我们可以预见的未来其实是不太可能离开太阳系的。不过理论的各种可能仍然给我们留下了无限的想象空间，特别值得关注的是高维空间存在的可能性。

2014年风靡全球的影片《星际穿越》为我们的想象给出了一个非常有趣而且专业的描述。大家现在看到的这部作品，则是基普·索恩教授专门为我们奉献的针对影片中诸多科学问题的深入解释。

感谢湛庐文化将这部优秀的科普作品引进中国。特别要感谢中国科学院国家天文台苟利军博士和其他多位工作在相关科研领域第一线的年轻天文学家们为我们带来专业的中文翻译。这是我见到的极少数由国内一线专业科研人员合作翻译的国外科普图书，相信他们为此付出的巨大努力会使读者更好地了解和欣赏原作，而我也借此机会向他们表示崇高的敬意！

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？

zui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》的惟一科学顾问，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《时间简史》之后天体物理学领域的又一里程碑式著作。

基普·索恩

诺贝尔物理学奖得主，全球ding尖理论物理学家，当今世界研究相对论天体物理学领域的领/导者之一。

致力于宇宙时空弯曲的研究，创建了全球知名的LIGO项目。

本科毕业于加州理工学院，在普林斯顿大学攻读博士期间师从于全球ding尖物理学家约翰·惠勒。毕业后回到加州理工学院任教，30岁时便成为该校历史上zui年轻的教授之一。

好莱坞烧脑巨制《星际穿越》惟一科学顾问，电影科学性的zui强保证。

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ding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

0六引力弹弓

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

最近的恒星离我们有多远？

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，可穿行虫洞的惟一希望？

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

1六米勒星球，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

2六临界轨道，“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

下落奇点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

附录1在哪里可以获得更多信息

附录2技术札记

致 谢

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！