《星际穿越（出版书）》
作者：[美]基普·索恩
译者：苟利军/王岚
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？最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》的唯一科学指导，以浅显易懂的语言一一破解了宇宙中的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。
目录
赞 誉
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
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，米勒星球被撕裂的临界点
“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》，一个可穿行虫洞的疯狂构想
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
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
赞 誉
|欧阳自远|
◆著名天体化学与地球化学家，中国月球探测工程首任首席科学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国际宇航科学院院士
黑洞、虫洞、弯曲、五维、时间旅行……这是一场科学的飨宴，更是一场关于人类命运的探寻。在基普·索恩搭建的这个物理世界中，人类虽渺小、无奈，但却不忘初心，执着追梦。最终，超体生物解救了库珀，皆大欢喜。科学的美丽与迷人就在于此，它不仅让我们洞悉宇宙的奇妙，而且还进一步拓宽了我们的思维，点燃好奇的火花，让思想“穿越”起来，并传递给下一代人。不过在现实中，人类的命运自然掌握在自己的手中，而那密码，恰在宇宙深处。
|李惕碚|
◆高能天体物理学家，中国科学院院士，清华大学物理系教授，中国科学院高能物理研究所研究员
黑洞奇点、虫洞、时间穿越、高维空间等广义相对论理论直接或间接的产物，既给人以无穷的想象空间，又可能是建立新物理的出发点。《星际穿越》一书的作者系广义相对论的著名资深学者，又是电影《星际穿越》的一位编剧和科学顾问；中文版翻译团组由活跃在天文、引力物理和宇宙学前沿的青年学者组成，译文流畅准确，编排印制考究。这是在爱因斯坦建立广义相对论一百周年之际献给科学爱好者和专业工作者的一份难得的礼物。
|武向平|
◆著名天体物理学家，国家天文台研究员，中国科学院院士
人类一直对星空充满幻想，而《星际穿越》给幻想插上了可以飞行的翅膀，让我们穿过神秘莫测的时空隧道，飞向另一个绚丽多姿的世界。黑洞之奇妙，虫洞之玄机，宇宙之浩瀚，尽显“星际穿越”。通俗的语言，精美的图画，严密的逻辑，引领我们一起“星际穿越”，遨游超级震撼的引力王国。
|张双南|
◆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
中国人都喜欢揭老底。硬科幻电影《星际穿越》放映之后，更是掀起了全民揭电影“科学老底”的运动。为了满足公众的好奇心，同时也说明这部电影的科学可信，这部电影的科学顾问、国际顶尖黑洞研究专家索恩亲自写了这本书自揭老底。译者也是活跃在黑洞研究领域的杰出学者，比如苟利军在测量黑洞自转方面的成就便是国际领先的。无论是对从事天体物理研究的专业学者、天文爱好者，还是科幻电影的发烧友，阅读本书都会获益匪浅。
|李淼|
◆著名物理学家，中山大学教授
我很荣幸在观赏电影《星际穿越》之后很快能读到英文原版的关于《星际穿越》中科学原理的书，作者是这部电影的剧作者之一以及科学顾问，这就很快解开了我的一些疑惑。现在，这本书的中译本摆在大家面前，非常值得希望了解现代物理学特别是时空科学的人一读。它比《时间简史》通俗，并且，它的作者在多次打赌中赢了霍金。
|陈学雷|
◆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
基普·索恩教授不仅是广义相对论和黑洞物理领域的世界权威，而且也正是由于他的努力，才使大众首次在电影《星际穿越》中欣赏到了黑洞、虫洞、高维空间等现代物理学中最奇妙概念的逼真展现。可以说，就算是专业研究者，若不读此书，也无法理解电影中为了真实展现这些奇妙概念所做的种种细致考虑。本书译者苟利军研究员等人是我的同事，都是非常活跃的天文学研究者，他们在百忙之中，抽出时间以最快速度将此书译为中文，分享给所有希望理解这个奇妙宇宙的读者们，实为功德无量。如果想知道科学为什么好玩，来读此书吧！
|陈雁北|
◆加州理工学院物理学教授
飞离地球、穿越虫洞、探索黑洞的奥秘、超越时空的限制、寻找人类新的家园——电影《星际穿越》描绘了一个缤纷、神奇的幻想世界。本书记述了理论物理大师索恩教授从最初提出电影的想法到后来密切参与电影改编和制作的整个过程，再现了索恩教授对电影中科学问题所做的周密思考。在教学和科研中，索恩教授总是能从独特的视点出发，把复杂的物理问题用简单的语言解释给学生和同事——让大家觉得仿佛宇宙中的一切谜团都终究可以解开。作为科普工作者，他在本书中用精彩的图片和通俗的文字，把当代物理学中最前沿的问题和最大胆的猜想展现在读者面前。科学幻想激励我们更努力地钻研、更勇敢地探索：也许有一天，地球上的我们会超脱黑洞的潮汐，自由穿越于星际，打开新家门的日子也许并不是遥远的未来。
|魏坤琳|
◆北京大学心理学系副教授、博士生导师
电影《星际穿越》刚上映时，恰巧我和《最强大脑》栏目组的专家教授们在南京。当晚我们就迫不及待地去电影院一起观看，电影非常震撼，我们半夜还讨论了很久。精彩背后，是留给我们的很多问号：为什么掉入黑洞的库珀会被超立方体营救？为什么虫洞看上去是一个球而不是一个洞？对我而言，人的神经系统是否真有能力像电影中一样在超高速情况下精确地控制飞船？有太多有关宇宙和人的问题，一直让我着迷，而今终于等到了这本书的翻译和出版。读过此书，才发现基普·索恩教授的深厚功力和严谨的科学精神，不仅将如此深奥的科学原理讲解得深入浅出、令人着迷，而且更是在每一次场景的设定上都进行了大量的计算，力求保证所有细节的科学性。如此伟大的科学家“较真”出如此伟大的一本书，非常值得一读。
|刘慈欣|
◆中国当代最知名的科幻作家，畅销书《三体》作者
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。
推荐序1
请温柔地走进科学的良夜
CHRISTOPHER NOLAN
好莱坞顶级导演 克里斯托弗·诺兰
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，告诉我当它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他感兴趣的科学问题。
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。
《记忆碎片》
| 2000年|
当记忆支离破碎后，
你该怎样面对生活？
第74届奥斯卡金像奖，
最佳原创剧本（提名）。
《致命魔术》
| 2006年|
在这部电影中，
克里斯托弗·诺兰
才是那位最伟大的魔术师。
《盗梦空间》
| 2010年|
“既然做梦，就做大点。”
第83届奥斯卡金像奖，
最佳影片（提名）。
《蝙蝠侠前传3：黑暗骑士崛起》
| 2012年|
超越原著，悲怆到迷人。
《星际穿越》
| 2014年|
黑洞、虫洞、奇点、五维……
只有懂得，才配“烧脑”。
奥斯卡最佳视觉特效奖。
推荐序2
星际穿越，不确定性的美妙
北京天文馆馆长 朱进
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，人类仍然还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（可能也有）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！
中文版序
科学的力量
KIP THORNE
天体物理学巨擘 基普·索恩
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。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[Gargantua]）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，即使人们看过电影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 。
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（Oliver James）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。[1] 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。
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，他手上捧的是英国电影与电视奖的奖杯。
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。[2]
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”（Simulating 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。[3]
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。
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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
[1] 请参见: Classical and Quantum Gravity, 32, 065001（2015）; doi:10.1088/0264-9381/32/6/065001。
[2] 请参见: American Jo-urnal of Physics, 预印本; http:// arxiv.org/abs/1502.03809 。
[3] 请参见: Physics —Uspekhi 57, 342-351 （2014）; DOI:10.3367/UFNe. 0184.201404b.0367。
译者序
探秘人类知识的未知疆域
我们是来自国家天文台的一群科研工作者，研究方向包括黑洞、引力透镜、星系和宇宙学等。
翻译这本书的想法最初由电影《星际穿越》上映之时已经远赴意大利的尔欣中博士在微信群中提出，并迅速得到了大家的响应。之后，通过与版权公司的多次沟通，我们终于联络到了中文版的出版公司湛庐文化。在与湛庐文化签订翻译合同之后，我们组成了8人的博士翻译团队,包括尔欣中、李然、王乔、李楠、谢利智、王岚、王杰和苟利军，同时每个人负责翻译的章节就被分配好了。之后,我们立即投入了紧张而有序的翻译工作中。经过独立翻译各自章节、交叉校对（最后一轮均由富有经验的翻译者把关；上海天文台的左文文博士也参与了一定数量的前期校对工作）以及最后的统稿（由李然、苟利军和王岚共同完成），历时一个多月，定稿终于交付。在翻译过程中，我们一直保持着高度的热情，对遇到的问题和疑点随时讨论。在这个过程中，我们自己也获益良多。
本书的翻译以保证科学内容的准确性为第一原则，语言风格力求与原文一致。本书部分内容，在我们日常研究中常有涉及，翻译起来较为容易。但当索恩教授的笔锋游走到人类知识疆域的边缘，谈到黑洞奇点、高维时空、量子引力这些问题时，我们也必须查找资料、咨询同事，才能保证自己的理解准确无误。尽管我们是专业的研究人员，但翻译经验不足，文字水平有限。而且也由于多人参与翻译，虽然我们通过多轮校对和最后的统稿努力保证了前后语言和内容的一致性，但是疏漏仍不可避免，希望广大读者包容并欢迎讨论和指正。
本书译稿得以完成，要感谢索恩教授对我们主动交流的热情回复以及对我们翻译工作的支持。感谢美国诺顿出版公司（W.W. Norton & Company）的伊丽莎白·克尔（Elisabeth Kerr）女士和博达著作权代理公司的蔡国成先生（David Tsai），他们的帮助促成我们联系到了湛庐文化。感谢毛淑德教授和沈志侠博士帮助审读了部分章节，感谢国家天文台的谌悦馆长为我们慷慨地提供了图书馆场地，以方便我们拍摄书中的相关视频，感谢许多同事及朋友的讨论和无私支持。同时，感谢翻译团队成员家属们的支持。在我们交付译稿的当天，苟利军博士喜得娇子，希望这位小朋友有一天会觉得这是一本有趣的书。
如索恩教授所愿，也是我们的由衷希望，此书能给读者您带来快乐和思考。
在此，感念我们紧张、有趣、并肩奋战的愉快时光！
是为序。
译者于北京
国家天文台天体物理学重磅译者团队
/尔欣中/
男，德国波恩大学天体物理学博士，中国科学院国家天文台副研究员，现为意大利罗马天文台访问学者。研究方向：宇宙中的各种引力透镜效应。
/李然/
男，北京大学天体物理学博士，现为中国科学院国家天文台副研究员。研究方向：宇宙学和引力透镜。
/王乔/
男，北京大学天体物理学博士，现为中国科学院国家天文台助理研究员。研究方向：宇宙大尺度结构及数值模拟、引力透镜、暗能量。
/李楠/
男，国家天文台天体物理学博士，现为美国芝加哥大学科维理（Kavli）天体物理研究所博士后。研究方向：引力透镜数值模拟、暗物质空间分布。
/谢利智/
女，国家天文台天体物理学博士，现为意大利里雅斯特天文台博士后。研究方向：暗物质晕及星系的形成与演化。
/王岚/
女，北京大学天体物理学博士，现为中国科学院国家天文台副研究员。研究方向：星系的形成和演化，温暗物质宇宙学模拟。
/王杰/
男，德国马克斯-普朗克研究所博士，英国杜伦大学博士后，国家“青年千人计划”入选者。现为中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授。研究方向：宇宙学的数值模拟。
/苟利军/
男，美国宾夕法尼亚州立大学天体物理学博士。美国哈佛大学哈佛史密森天体物理中心博士后及研究人员。国家“青年千人计划”入选者。现为中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授和国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人。研究方向：黑洞基本性质测量以及爆发现象的研究。
/左文文/
女，北京大学天体物理学博士。现为上海天文台的助理研究员，负责科技传播工作。研究方向：类星体的光变,以及高红移类星体的黑洞质量演化（审校部分稿件）。
前 言
科学，美丽而迷人
我做了半个世纪的科学家。这是愉快而有趣的生涯，并且让我对世界和宇宙有了深刻的理解。
在幼年和少年时代，我就梦想成为科学家。这源于我所读的一些书：艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）、罗伯特·海因莱因（Robert Heinlein）等人的科幻小说以及阿西莫夫和物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）的科普读物。一直以来的索取让我觉得亏欠他们太多，而作为回报，我想将他们的理念传递给下一代，以激发青年人甚至成年人对科学的兴趣，引领他们进入真正的科学世界，并为非科学人士解释科学是如何运作的，解释科学为我们每一个个体、我们的文明以及全人类所带来的巨大力量。
从这个角度讲，克里斯托弗·诺兰的电影《星际穿越》是一个理想的媒介。我非常幸运地从创意阶段就能够参与这部电影的制作，我主要是帮助诺兰等人把科学元素改编成电影素材。
在《星际穿越》这部电影中，很多科学内容尚处于人类认知的最前沿，有的甚至超出了我们现阶段的理解能力。这给影片增加了许多神秘感，也让我有机会解释一下科学事实、有根据的推测和猜想之间的差别，并且阐释科学家是如何从推理中获得最初的灵感，如何将它们证伪或转变成有意义的猜想甚至是坚定不移的科学理论的。
我是从两方面着手的。一方面，对于电影中的一些现象，我会说明我们已有的知识（像黑洞、虫洞、奇点、第五维度等），解释我们是如何学到这些既有知识的，以及我们打算如何去探索未知的内容。另一方面，我会从科学家的角度阐述自己如何看待这部电影，就像一位艺术评论家或者艺术鉴赏者去品评毕加索的画作一样。
我的解读往往出于我对电影之后科学世界的想象：黑洞卡冈都亚的物理现象，它的奇点、视界（horizon）和视觉外观（visual appearance）；卡冈都亚的潮汐力（tidal gravity）是如何在米勒星球上引发高约1 219米的巨浪的；超立方体，这一具有四个空间维度的物体是如何通过五维的超体来运送三维的库珀的……
有时候，我解读的并不是电影故事的一部分，而只是基于电影的推测。例如，我猜测布兰德教授早在电影中的故事开始之前，就已经通过引力波[1] 探测到了虫洞。而这一引力波可能来自黑洞卡冈都亚附近的一颗中子星[2]，然后通过虫洞传播到了地球上。
