当然，这些解释我仍予以保留，尽管它们并没有取得诺兰的支持，但就像艺术评论家的观点并不一定会得到毕加索的认可一样，它们只是我用来描述一些精彩的科学现象的工具。
书中的一些部分可能会比较难懂，但那是科学的真实面貌。它需要你进行思考，有时候甚至需要深入的思考，但是思考是有回报的。你可以选择跳过这些段落，或是试图理解它们。如果你在努力之后却没有收获，那全是我的错，不是你的问题，我为此感到抱歉。
我希望至少有一次，你会在夜深人静、半睡半醒时，仍然思考我书中所写到的内容。其实，诺兰在完善剧本时问过我的一些问题也常常让我琢磨至深夜。并且，我更希望至少有一次，你能在夜半挠头苦思时，感受到那种灵光一现的快乐。这是我在思考诺兰所提出的问题时所时常经历的。
我由衷地感谢克里斯托弗·诺兰、乔纳森·诺兰、埃玛·托马斯、琳达·奥布斯特和史蒂文·斯皮尔伯格把我带入了好莱坞，并给予了我如此美好的机会来实现梦想，给下一代传递这样的信息：科学美丽而迷人，蕴含着巨大的力量。
[1] 引力波（gravitational waves）：时空曲率以波的形式从源向外传播的扰动，这种波会以引力辐射的方式传递能量。——译者注
[2] 中子星（neutron star）：当质量约为8~20 倍太阳质量的恒星进入演化末期，经由引力塌缩发生超新星爆炸后，恒星内核就被压缩成了中子星。典型的中子星的质量一般介于1.35~2.1 倍太阳质量， 半径在10~20 千米之间，密度大约是原子核的密度。——译者注
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（Carl Sagan）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华和成就的制作人（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（Carolee Winstein）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到的。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，甚至是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以科学为事业。
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。
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）。
但是当时，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.外星人》，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，召集了一批科学家与我们集思广益，并组织了一场《星际穿越》研讨会。
这场研讨会于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。
由于还有很多事情要忙，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。
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，所以一直在等待……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。
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岁的年轻人身上。他刚和哥哥克里斯托弗·诺兰合作过两部影片——《致命魔术》和《蝙蝠侠前传2：黑暗骑士》，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，通常一聊就是两三个小时。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）[1]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 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。
图0-1 乔纳·诺兰、基普和琳达·奥布斯特（从左到右）
但是，问题没有得到解决。斯皮尔伯格和派拉蒙没有就电影的下一步达成一致，琳达也没有找到解决问题的方案。一瞬间，我们又没有了导演。
史蒂文和琳达都曾告诉过我，这部电影的制作费将会非常昂贵，几乎没有几位导演能够让派拉蒙放心交付这么庞大的制作。我似乎看到《星际穿越》在走向地狱边缘，慢慢死去。我彻底绝望了。有一阵儿，琳达也是。但是，她一直是一个解决问题的超级能手。
埃玛是克里斯托弗·诺兰的太太，并且是他所有执导过的电影的制片人和联合出品人。她和克里斯托弗对这部电影很感兴趣。琳达兴奋得几乎发抖。乔纳打电话告诉她：“这是最好的可能了。”但是由于许多原因，这件事一直拖了两年半时间才最终确定下来，尽管我们一直非常确定克里斯托弗和埃玛参与此事的决心。
意外接棒的好莱坞顶尖导演
在收到“史蒂文协议出现问题”的邮件之后的第13天，当我打开电子邮箱时，就欣喜地发现了这样一封邮件：
与埃玛·托马斯聊得很开心……
埃玛是克里斯托弗·诺兰的太太，并且是他所有执导过的电影的制片人和联合出品人。她和克里斯托弗对这部电影很感兴趣。琳达兴奋得几乎发抖。乔纳打电话告诉她：“这是最好的可能了。”但是由于许多原因，这件事一直拖了两年半时间才最终确定下来，尽管我们一直非常确定克里斯托弗和埃玛参与此事的决心。
因此，我们静下心来等待——从2010年6月一直等到2012年9月。在此期间，我开始有些着急了。在我面前，琳达一直显得信心满满，但是后来她吐露曾写下这样的话：
明天我们醒来时，诺兰可能已经离开——在经历了两年半时间的等待之后，他可能另有自己的想法。某个制片人可能给了他一个更好的剧本。他也可能决定休息一下。那样，我长久以来的等待就全都白费了。这是会发生的。我的生活就是这样，创意制片人的生活就是如此。但是对我们来说，他就是那个完美的导演，所以，我们继续等待。
最后，谈判终于开始了，但这远远超出我的能力范畴。克里斯托弗·诺兰只有在派拉蒙同意与华纳兄弟合作的情况下，才愿意导演这部影片。这是因为华纳兄弟制作了他的前几部电影。所以，这两家平常互为竞争对手的制片公司需要就此达成协议—— 一份极其复杂的协议。
终于，在2012年12月18日，琳达发来了邮件：
派拉蒙和华纳终于达成了协议。太棒了，春天开始了！！！
从那时起，电影完全掌握在了克里斯托弗·诺兰的手中，至此我终于可以说所有事情都在顺利进行了。终于，事情的进展开始变得明朗、充满乐趣，并且令人振奋！
克里斯托弗对乔纳的剧本很了解。他们毕竟是兄弟，并且在乔纳当编剧的时候也曾经聊起过它。在合作剧本方面，他们有着颇为成功的经验：《致命魔术》、《蝙蝠侠前传2：黑暗骑士》和《蝙蝠侠前传3：黑暗骑士崛起》都是出自他们之手——乔纳完成初稿，克里斯托弗修改，仔细思考他将如何处理每一个镜头，并将之画在纸上。
随着电影完全掌握在克里斯托弗手中，他把乔纳的剧本和他自己进行的另一个项目的剧本合并到了一起——他注入了全新的视角和一套全新的想法。这些想法把电影带向了我们未曾预见的新方向。
2013年1月中旬，克里斯（我很快就开始这样称呼他）邀请我去他在辛克匹电影制作公司（Syncopy）[2]的办公室单独会面，而这家制片公司就位于华纳兄弟的制片场里。
从谈话中，我可以清楚地看出克里斯对相关的科学问题相当了解，而且还拥有敏锐的直觉。他的直觉偶尔会跑偏，但通常都不会离得太远。而且，他充满了好奇心——我们的谈话经常从电影的内容跳到其他一些虽与电影无关但却使他着迷的东西上去。
在初次会面中，我向克里斯提出了自己的科学指导原则：不能违背已牢固确立的物理定律；猜想也要源自于实际的科学。他似乎很赞同，但是同时告诉我说，如果我不喜欢他在科学上所做的处理，也不需要为他在公众面前辩护。这在当时让我吓了一跳。但是现在电影已经成型，他很好地遵从了这些原则，同时还保证它们并没有妨碍制作这样一部伟大的影片，这让我很佩服。
从1月中旬到5月上旬，克里斯紧张地改写着乔纳遗留下来的剧本。他和助理安迪·汤普森（Andy Thompson）不时打来电话，邀请我去他办公室或家里讨论一些科学方面的问题，或者让我读一下剧本的最新稿，之后再会面讨论一下。我们的谈话常会持续很长时间，一般为90分钟，有时在一两天后还会继续通过电话进行长时间的讨论。他也会提出一些需要我考虑的问题。正如我和乔纳一起工作时一样，我的最佳思考时段仍是深夜。第二天早晨，我会把想法写下来，包括图表和图片，记成几页纸的备忘，并亲手交给克里斯。（克里斯总是怕我们的想法会泄露出去，以至于毁掉粉丝们不断增加的期待。所以，他是好莱坞最神秘的电影制作人之一。）
偶尔，克里斯的想法看上去似乎违背了我的方针，但神奇的是，我几乎总能找到行得通的解决办法。只有一次，我不幸失败了。结果是，在历时两周多的讨论之后，克里斯退让了——把这一小部分改成了其他内容。
所以到了最后，我可以毫无顾虑地为克里斯影片中的科学问题进行辩护。事实上，我热情满满！琳达和我的这个梦想——以真正的科学为基础制作一部电影的梦想被他实现了，真正的科学贯穿于影片始终！
在乔纳和克里斯手中，《星际穿越》的故事有了巨大的变化——它只是在整体思路上与我和琳达的最初设计相似，但比一开始好太多了！影片中的科学想法也并非都是我的。克里斯注入了他自己非凡的科学理念，甚至有的会让我的物理学同事误认为是我的。事实上，当我看到这些想法时，我问自己，我怎么就没想到呢？此外，很多卓越的想法是从我与克里斯、乔纳和琳达的讨论中诞生的。
图0-2 基普（左）和克里斯托弗·诺兰在片场中“永恒”号的控制舱内讨论剧本
4月的一个晚上，在我位于帕萨迪纳的家中，卡罗尔和我为史蒂芬·霍金举办了一个大型聚会。聚会聚集了来自不同领域的100多人，包括科学家、艺术家、作家、摄影师、电影制片人、历史学家、教师、社区组织者、工会组织者、企业家和建筑师等。克里斯和埃玛也在其中，还有乔纳和他的太太莉萨·乔伊（Lisa Joy），当然也少不了琳达。夜深时，我们久久地站在阳台上，在漫天的繁星下，远离聚会的喧闹，恬静地聊着。这是我第一次从电影人之外的视角了解克里斯，那是如此愉快！
克里斯很平易近人，非常健谈，有一种强烈的冷嘲式的幽默感。他使我想起了我的另外一个朋友戈登·摩尔（Gordon Moore）——英特尔公司的创始人[3]。他们虽都是站在各自领域巅峰的人，却十分朴实低调。他们都开旧车，而不开自己拥有的、更奢华的新车。他们都使我这个内向的人感到自在，这并不容易。
保罗·富兰克林
奥利弗·詹姆斯
尤金妮亚·冯·腾泽尔曼
保罗临走的时候， 我问他打算雇用哪家图像公司来做视觉特效。“我的公司。”他温和地回答。我又天真地问：“那是家什么公司？”“双重否定公司（Double Negative）。我们在伦敦有1 000名员工，在新加坡还有200名。”
视觉特效的缔造者们
2013年5月中旬的一天，克里斯给我打电话。他想让一个名叫保罗·富兰克林的人来我家讨论电影中电脑特效的事情。保罗第二天就来了，我们集思广益，在我的办公室中度过了美妙的两个小时。他很谦逊，与克里斯强有力的风格完全不一样。但他也很聪明，对相关的科学内容了解得很深入，尽管他在大学里主修的是艺术。
保罗临走的时候，我问他打算雇用哪家图像公司来做视觉特效。“我的公司。”他温和地回答。我又天真地问：“那是家什么公司？”“双重否定公司（Double Negative）。我们在伦敦有1 000名员工，在新加坡还有200名。”
保罗走后，我上网搜索了一下他的信息。我发现他不仅是那家公司的联合创始人，而且已经凭借诺兰执导的电影《盗梦空间》拿到了奥斯卡最佳视觉特效奖。我喃喃自语道：“我是该好好补习一下电影界的事情了。”
在几周后的一次视频会议上，保罗把我介绍给了他在伦敦的同事——《星际穿越》视觉特效团队的负责人们：奥利弗·詹姆斯，作为首席科学家的他将编写计算机代码来实现视觉效果；艺术团队的负责人尤金妮娅·冯·腾泽尔曼，她的团队将把奥利弗的计算机代码加入丰富的艺术元素来产生引人注目的电影图像。
在电影合作者中，奥利弗和尤金妮娅是我初次接触到的学过物理的人。奥利弗拥有光学和原子物理专业学位，了解爱因斯坦狭义相对论的技术细节。尤金妮娅是一位工程师，毕业于牛津大学，攻读的是数据工程和计算机专业。他们与我有很多共同语言。
图0-3 保罗·富兰克林（左）和基普
我们很快就建立起了良好的合作关系。有好几个月，我几乎全身心地投入到了推导黑洞和虫洞周围宇宙的图像方程式（参见第7章和第14章）上去了。我在低分辨率下测试我的方程式，用的是一个方便使用的计算机软件Mathematica。然后，我把方程式和Mathematica程序发给了奥利弗。他把它们转化为复杂的计算机代码，以产生IMAX所需的超高品质图像，然后再交给尤金妮娅和她的团队，以实现艺术效果。现在回想起来，那仍然是非常愉快的工作经历。
图0-4 尤金妮娅·冯·腾泽尔曼、基普和奥利弗·詹姆斯（从左至右）
《星际穿越》最终的视觉特效非常惊人！并且，这些视觉特效经得起科学的检验，非常精确。
你无法想象，当奥利弗发给我最初的电影剪辑时，我是多么的欣喜若狂。有生以来第一次，而且在其他所有科学家之前，我看到了在极高清晰度下一个高速自旋的黑洞的样子，以及十分直观地看到了它是如何影响周围环境的。
马修·麦康纳、安妮·海瑟薇
迈克尔·凯恩、杰茜卡·查斯坦
尽管我在电影中没有角色，但作为《星际穿越》背后的真正科学家，我却是“臭名远扬”，因为我一直在不停地督促每一个人尽力保证这部大片中科学内容的正确性。
精彩“穿越”背后的好莱坞巨星们
2013年7月18日，电影开拍前两周，我收到了一封来自马修·麦康纳的邮件，他扮演的是电影中的库珀一角。
关于《星际穿越》，我想问你几个问题……如果你在洛杉矶附近，当面谈最好。请让我知道可否，谢谢！期待你的回复。
麦康纳
6天后，我们在贝弗利山庄（Beverly Hills）的精品酒店L’Ermitage的一间套房里碰面。他安顿在那里，正奋力使自己进入电影角色，并了解电影里的科学内容。
我到达的时候，麦康纳穿着短裤和背心，光着脚给我开门。他刚刚拍摄完《达拉斯买家俱乐部》，很消瘦。他问我是否可以叫我“基普”。我说当然可以，并问应该怎么称呼他。“什么都可以，但不要叫我马特，我讨厌被叫马特。马修和麦康纳，嘿，哥们儿，你想怎么叫都可以。”我选择了“麦康纳”，因为叫起来很顺口，而且我认识太多叫马修的人了。
麦康纳把巨大客厅和餐厅中的所有家具都搬走了，只剩一个转角沙发和一张咖啡桌。散落在地板和桌子上的是A3纸大小的纸张，每张上面都洋洋洒洒地写满了关于某个特定内容的笔记。我们坐在沙发上，他捡起一张纸，浏览一下，然后问一个问题。这些问题通常都很深入，并让我们陷入了长时间的讨论之中。在此期间，他会在这些纸上做些笔记。
我们的讨论经常会跑题，但这是在很长一段时间里我所经历的最有趣、最愉快的谈话之一了！我们从物理学定律，特别是量子物理，谈到了宗教和神秘主义，从影片中的科学问题谈到了我们的家人，特别是孩子们，我们还谈到了我们的生活哲学、我们如何得到灵感、我们的大脑如何工作以及我们如何探索发现。两个小时后，我在一种亢奋的状态下离开。
后来，我向琳达诉说起了我和麦康纳的会面过程。“理当如此。”她说。她本来可以提前告诉我麦康纳是怎样的人——这是她和麦康纳合作的第3部影片了。我很高兴她没有提前告知。事实上，自己发现要有趣得多。
几个星期后，另一封邮件翩翩而至，来自阿梅莉亚·布兰德的扮演者安妮·海瑟薇。
嗨，基普！希望收到邮件的时候你一切都好……埃玛·托马斯给了我你的邮箱，说如果我有问题可以找你。好吧，这次的主题相当复杂，所以我有好些问题呢……我们是否可以聊聊？非常感谢。
安妮
最终，我们在电话上聊了聊，因为我们的日程都太满了，根本没时间会面。她说自己有点儿像物理极客，也说她的角色布兰德是一个对物理非常在行的人。然后，她就抛出了一连串令人惊讶、颇具技术含量的物理问题：时间和引力是什么关系？为什么我们会认为有更高维度的存在？当前关于量子引力的研究进展如何？有没有检测量子引力的实验？直到最后，我们才转移了话题，谈到了音乐。她在高中时演奏小号，而我吹萨克斯和单簧管。
在电影拍摄期间，我极少去片场。他们不需要我。但是一天早上，埃玛·托马斯带我参观了位于索尼电影制片厂30号摄影棚的“永恒”号太空船的拍摄现场——包括指挥舱和导航舱的实物尺寸模型。
它极其惊人：13.4米长，7.9米宽，4.9米高，悬挂在半空中，可以从水平方向移动到几乎垂直的方向，制作精致，注重细节。它让我震惊，同时激发了我的好奇心。
“埃玛，既然可以用计算机制作出这些东西的图像，为什么还要建造如此庞大和复杂的模型？”“因为不清楚哪样会更便宜，”她回答道，“而且计算机图像现在还不能给出和实物一样令人信服的视觉细节。”只要有可能，她和克里斯就会使用真实的场景和效果，除非是那些不可能实现的，比如像黑洞卡冈都亚。
还有一次，我在布兰德教授的黑板上写下了一长串方程和图解，然后看着克里斯他们拍摄教授办公室里的一个场景，其中，迈克尔·凯恩扮演布兰德教授一角，杰茜卡·查斯坦扮演成年墨菲（Murph）一角。凯恩和查斯坦对我表示出了热情又友好的尊重，我有点儿吃惊。尽管我在电影中没有角色，但作为《星际穿越》背后的真正科学家，我却是“臭名远扬”，因为我一直在不停地督促每一个人尽力保证这部大片中科学内容的正确性。
让我没想到的是，这个“坏名声”却触发了我和许多好莱坞名人的有趣谈话：不仅仅是诺兰一家、麦康纳和海瑟薇，还有凯恩、查斯坦等人。这都是我和琳达创造性友谊的意外收获。
现在，终于到了琳达和我关于《星际穿越》之梦的最后一步。这一步就是你们，广大的观众们。你们应该已经对《星际穿越》的科学产生了好奇，并试图为电影中不可思议的情节寻找解释。
那么，答案就在这里。这便是我写此书的缘由。
祝你们开启一场美妙的探索之旅！
[1] 引力异常：本书中的引力异常主要指，从观测到的引力加速度与模型预言的值不符合。其产生原因可能是：（1）引力模型的不精确；（2） 存在其他未知的引力源。
[2] 辛克匹是由克里斯托弗· 诺兰和妻子埃玛· 托马斯共同创办的电影制作公司，总部位于英国伦敦。——译者注
[3] 优秀的人物往往都有相似的优点，在《三位一体：英特尔传奇》（湛庐文化策划、浙江人民出版社出版）中你可以领略到戈登·摩尔的更多风采。——编者注
第一部分 宇宙奥秘，穿越之钥
01 宇宙的终极真相
宇宙非常广阔，浩瀚而美丽。从某些方面看，它极其简单；而从另一些方面看，它又十分复杂。从宇宙极其丰富的内容里，我们只需要了解很少的一些基本事实即可。
大爆炸，宇宙诞生
宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。我的朋友，宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）给它取了一个略带调侃的名字——“宇宙大爆炸”（Big Bang）。在20世纪40年代，他觉得这只是一个哗众取宠、异想天开的想法。
事实证明，弗雷德错了。我们已经发现了由大爆炸发出的辐射，甚至就在我写这本书的上一周，我们还获得了一些观测数据。初步的分析表明，我们可能观测到了起源于大爆炸后第1兆兆兆分之一秒的辐射。
我们不知道是什么引发了大爆炸，也不知道在那之前世界是什么样子。但宇宙就从那一刻诞生，变成了充满高温气体的浩瀚海洋，并且向所有方向飞速膨胀，就像核弹爆炸或者煤气管道爆炸引发的火球一般。但是这场爆炸没有破坏任何东西（就目前所知），而是创造了我们宇宙中的一切，或者说为宇宙中的万物播下了种子。
我可以单独为大爆炸谱写一章，但这与本书的主题并没有太多关联，所以我尽力克制自己只点到为止。
扫码关注“庐客汇”，回复“星际穿越”，即可浏览肖恩•卡罗尔（Sean Carroll）的文章Preposterous Universe，获得关于宇宙大爆炸的最新研究进展。
万亿星系与黑洞
随着宇宙的膨胀，高温气体开始冷却。随机地，有些地方的气体密度比其他地方稍高。当气体冷却到一定程度时，高密度区域自身的引力就会使气体向内塌缩，产生星系（星系是由一大团恒星和它们的行星，还有充斥于其中的稀薄气体组成的），参见图1-1。最早的星系产生于大爆炸发生的几亿年之后。
此图为哈勃太空望远镜拍摄
图1-1 一个名为阿贝尔1689（Abell 1689）的巨大星系团和许多其他遥远的星系
我们可见的宇宙里大约有上万亿个星系。最大型的星系中包含上万亿颗恒星，并且有大约100万光年[1]那么大。而那些体积较小的星系也有1 000万颗恒星和1 000光年那么大。几乎在每一个大型星系的中心都有一个超大质量的黑洞（见第4章）。它们比太阳的质量大100万倍[2]，甚至更多。
地球所在的星系叫作银河系。银河系里的大多数恒星位于一条明亮的长带中，横亘于晴朗的夜空里。实际上，不仅仅是长带中的恒星，我们在夜空中看到的所有的星星点点都是银河系中的恒星。
离我们最近的一个大型星系是仙女星系（Andro-meda），见图1-2。它距离地球250万光年，包含了上万亿颗恒星，跨越了100000光年。银河系和它就像一对双胞胎，大小、形状都很接近，连恒星的数量也是。如果在图1-2中的是银河系的话，那么地球就应该处于黄色小方块所标示的位置。
仙女星系里面有一个巨型黑洞，比太阳重1亿倍，跨度相当于地球的运转轨道（电影中的黑洞卡冈都亚也是同样的大小和质量，见第5章）。它就位于仙女星系最亮的球形区域的中心。
10 0000光年
图1-2 仙女星系
太阳系
恒星是巨大的高温气体球，通常由内部的热核聚变来维持高温。太阳是一个非常典型的恒星，它的直径有140万千米长，比地球直径大100倍。它的表面有闪烁的耀斑，还有一些耀斑分布于各处的高低温区域，通过望远镜看时非常迷人（见图1-3）。[3]
图1-3 太阳的图像，由美国宇航局太阳动力学天文台（Solar Dy-namics Observatory）拍摄
在围绕太阳的椭圆轨道上有八大行星，这其中就包括地球，还有许多矮行星（dwarf planet，冥王星是最有名的一个），此外还有许多彗星以及更小的、被称作小行星和流星的岩石块（见图1-4）。在距离太阳由近到远的行星排序中，地球处在第三位上。土星是第六位行星，它有一个美丽的光环，在电影中是很重要的角色（见第14章）。
太阳系比太阳大1 000倍，即使是光也需要11个小时才能穿越它。距离太阳最近的恒星，是位于半人马座的比邻星（Proxima Centauri），它距离我们4.24光年，比我们与太阳系的距离还要大2 500倍！在第12章，我将探讨遥远距离为星际旅行带来的麻烦。
图1-4 太阳的几大行星和冥王星的轨道，其间的小行星带中包含数量庞大的小行星
恒星的死亡：白矮星、中子星和黑洞
太阳和地球大约有45亿年历史，这约为宇宙年龄的1/3。再过大约65亿年，太阳将会燃尽它内部的核燃料。然后，它将会燃烧内核表层的燃料，它的外层面将开始膨胀，期间会把地球烤干并包裹起来。当这部分燃料也耗尽时，它便开始塌缩为一颗与地球大小差不多的白矮星，但是密度要比后者大100万倍。白矮星会逐渐冷却，再过几百亿年以后会变成一颗致密的、无光的死星。
那些质量比太阳大很多的恒星燃烧得非常快，之后可能会塌缩成一颗中子星或一个黑洞。
中子星的质量一般是太阳质量的1~3倍，周长大约为75~100千米（与芝加哥的大小差不多），密度和原子核的密度一样大，达到了100万亿倍岩石或者地球的密度。实际上，中子星基本上纯粹是由原子核构成的：一个挨着一个。
黑洞（见第4章）却不一样。它们完全是而且仅仅是由弯曲的时间和弯曲的空间构成的（我会在第3章解释这个奇怪的论断）。它们不包含物质，但是却有表面，被称作“事件视界”[4]，或简称“视界”。没有东西可以逃离它们，甚至光。这也是它们之所以如此漆黑的原因。黑洞的表面积和质量成正比：质量越大，表面积越大。
一个黑洞如果有一颗典型的中子星或白矮星的质量（一般来说大约是1.2倍太阳质量），那么它的周长将会是22千米：这个值是中子星的1/4，白矮星的千分之一（见图1-5）。
图1-5 一颗白矮星（左）、中子星（中）和黑洞（右），质量都是1.2倍太阳质量。对于白矮星，我只画了它表面的一小部分
因为一般恒星的质量不会超过100倍的太阳质量，变成黑洞的恒星也是如此。
星系中心巨型黑洞的质量可以达到100万甚至200亿倍太阳质量。因此，它们不可能是恒星死亡后的产物。它们的形成过程有其他方式，也许源自于许多小黑洞的聚和，也许源自于巨大的气体云的塌缩。
宇宙中的电场、磁场与引力场
由于磁力线（magnetic force line）在宇宙中扮演了重要角色，并且在电影《星际穿越》中也很重要，所以在我们进入电影的具体科学内容前，先来谈谈磁场。
图1-6 从一块磁铁发出的磁力线，由铁屑在纸上形成的图案使其形象化，此图是马特·齐梅特（Matt Zimet）根据我的草图所画，图片来自我的另外一本书《黑洞与时间弯曲》
在学生时代上物理课时，你想必已经通过一些小实验见过磁力线了。你是否还记得在一张纸下面放一块磁铁，然后在纸面撒上铁屑后形成的图案？这些铁屑形成的图案可以参见图1-6。它们沿着磁力线的方向排列。其实，磁力线是不可见的。磁力线从磁铁的一极出发绕过磁铁，然后消失于另一极。磁场就是所有磁力线的集合。
当你试着把两块磁铁的北极对到一起时，它们的磁力线就会相互排斥。虽然在两块磁铁之间看不到什么，但是你能感觉到它们之间的斥力。磁悬浮就是利用了这个原理，它可以使被磁化了的物体，甚至是一列火车，都悬浮在空中（见图1-7）。
图1-7 世界上第一列商用磁悬浮列车出现于中国上海
地球也有两个磁极：一个南磁极，一个北磁极。磁力线从南磁极出发，绕过地球进入北磁极（见图1-8）。这些磁力线会影响罗盘的指针，就像它们会影响纸片上的铁屑一样，使得指针尽可能地指向磁力线的方向。这就是罗盘运作的原理。
