尽管卡冈都亚的吸积盘看起来异常漂亮，但是它没有活力，也没有喷流，那么卡冈都亚的环境真是很友好的吗？阿梅莉亚·布兰德认为的确如此。
[1] 摩擦力起源于一个极 其复杂的过程。流动的气体将磁场有序化，在一定程度上使之加强，从而让气体的动能转化为磁能。之后，与在临近空间区域指向相反的磁场发生磁重联，通过这个过程将磁能转化为热能。整个过程反映了摩擦力的本质：将 运动转化为热。
[2] 布兰德福-泽奈耶克机制（Blandford-Znajek Mechanism） 是从旋转黑洞中提取能量的一种机制。这是类星体能量来源的最佳解释之一，它需要围绕着旋转黑洞的吸积盘和强大的磁场。——译者注
[3] 在图8-5 中，我将原 来黑洞的尺寸修改到卡冈都亚大小，将恒星的尺寸修改到一个红巨星大小，并且相应地修改了原图中的时间标记。关于詹姆斯· 吉约雄的更多模拟请扫以下二维码登录其个人网站。
09 事故是进化途中的第一步
在电影中，在库珀一行人发现米勒星球是不毛之地后，阿梅莉亚·布兰德争辩接下来要探索的星球应该是距离卡冈都亚更为遥远的埃德蒙兹星球，而非距离更近的曼恩星球。“事故是进化途中的第一步，”她告诉库珀，“但如果你绕着黑洞转，就遇不上那么多事故，因为它把小行星、彗星和其他本来你要碰到的事故都给吸走了。我们需要走得更靠外些。”
这是整部电影中少有的一个由角色犯下的科学错误。克里斯托弗·诺兰早知道布兰德的论证是错误的，但他选择保留乔纳剧本草稿中的这一段话。毕竟，科学家的判断力也绝非完美。
尽管卡冈都亚总是试图把小行星和彗星吸进来——其实行星、恒星和小型黑洞也是这样，但实际上成功的却很少。这是为什么呢？
除了那些轨道几乎笔直地指向黑洞的天体之外，绝大部分距离卡冈都亚很远的天体都有很大的角动量[1]。无论天体沿着轨道靠近黑洞到什么样的程度，这么大的角动量产生的离心力总能够轻易地摆脱卡冈都亚的引力。
图9-1是一个典型的轨道形式。天体在卡冈都亚强大的引力拉拽下向内运行，但在它到达视界面之前，离心力会变得更强，强到足以把它再甩出去。这一过程几乎无止尽地反复发生着。
能够阻断这一过程的唯一可能是与其他大质量的天体（一个小型黑洞、恒星或者行星）产生交会。这个天体会在其他天体的扰动下沿着弹弓弹射的轨迹（见第6章）被抛入一个新轨道，而这个围绕卡冈都亚的新轨道会拥有新的角动量。与原来的轨道类似，新轨道的角动量通常也很大，所以离心力还是能够保护天体不被吸入卡冈都亚。在极为罕见的情况下，天体在新轨道上会几乎径直地冲向卡冈都亚——它的角动量太小，不足以产生足够的离心力，所以只有这样的天体才会被拉入卡冈都亚的视界之内。
天体物理学家们运行了一个数值模拟，来计算类似于卡冈都亚这样的巨型黑洞周围数百万颗恒星的实时轨道。引力弹弓效应会逐渐地改变所有轨道，进而改变恒星的数密度（在特定的体积内恒星的数量）。结果，卡冈都亚附近的恒星数密度并没有下降，反而增加了。而且，小行星和彗星的数密度也是增加的。与小行星和彗星发生随机碰撞也变得更加频繁，而非更少。卡冈都亚附近的环境对于个体生命形式（包括人类）来说，变得越来越危险，进化提升得也越来越快（只要能有足够多的个体存活下来）。
引自史蒂夫·德雷斯克的模拟
图9-1 绕行类似于卡冈都亚这样快速自旋黑洞的天体的典型轨道
在审视了卡冈都亚和它危险的环境之后，让我们转换一下讨论方向，回到地球和太阳系，回到地上的灾难和经由星际旅行来逃脱这些灾难的极端挑战上来。
[1] 角动量（angular momentum）：等于天体的角向速度乘以它到卡冈都亚的距离。这个物理量非常重要，因为无论轨道多么复杂，沿着轨道，它都是一个常数。
第三部分 地球大灾难
10 毁灭人类文明的枯萎病
乔纳森·诺兰在2007年作为编剧加入《星际穿越》的创作工作，他把故事设定在人类文明日薄西山的时代，而最后一根稻草就是“枯萎病”。在乔纳森的兄弟克里斯托弗·诺兰接手导演后，他也支持这个想法。
但是琳达·奥布斯特、乔纳森和我都有点儿担心库珀身处的世界只是乔纳森的想象，怀疑以下这些问题在科学上是否可行：为何人类文明如此衰退，但是在很多方面看起来还是极为正常？枯萎病席卷全球可食用作物在科学上是不是真的成立？是不是真的会发生？
我对枯萎病了解不多，所以转而求助专家的建议。2008年7月8日，我在加州理工学院的员工俱乐部“雅典娜神庙”组织了一次晚餐。乔纳森、琳达、我以及另外4位专业互补的生物学家一起享受了一顿美酒佳肴。他们分别是：植物学家艾略特·迈耶罗维茨（Elliot Meyerowitz）、植物降解微生物专家贾里德·利德贝特（Jared Leadbetter）以及梅尔·西蒙（Mel Simon）——研究植物的构造细胞及如何被微生物、病菌影响的专家，另外还有戴维·巴尔的摩（David Baltimore），他是诺贝尔奖获得者，对整个生物领域都有深广的见解。（加州理工学院是一个很棒的地方。在最近的3年中，它每年都会被伦敦《泰晤士报》誉为世界顶级名校。它非常小，只有300位教授、1 000名本科生和1 200名研究生，小到我认识加州理工学院全部学科的专家。所以，我很容易就找到了“枯萎病晚餐”上我们所需要的人。）
晚餐开始后，我在圆桌的中心安置了一个麦克风，记录下了这一长达两个半小时的畅谈过程。本章正是基于这些记录，当然我重新整理了大家的对话，而他们也核对并允许了我的转述。
我们很容易就达成了共识：库珀生活的世界在科学上是可能的，但也不是非常可能。它能够出现，但是概率非常小。这也是我把本章标为猜想的原因。
库珀的世界——只比活命好一点儿
在品尝了美酒和开胃菜以后，乔纳森开始描述他眼中库珀的世界：在几次大灾难的联合侵袭下，北美的人口只剩下原来人口的1/10，甚至更少，其他几大洲的情况也差不多。人类已经退回到了农耕文明，时常在温饱线上挣扎。但世界也还算不上是地狱，生活依然可以忍受，在某些方面还能找到一些乐趣，比如棒球。图10-1描述的是库珀生活中的景象。然而，我们不再雄心勃勃，我们不再追求伟大，我们追求仅比活命好一点点的生活。
大部分人以为灾难都已经结束。人类开始建立一个新世界，情况也开始好转。但现实是，枯萎病非常致命，并且在农作物之间快速蔓延。人类这个物种将会在库珀的孙辈一代灭亡。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图10-1 库珀生活的世界。上图：在库珀的视野中，一场棒球比赛正在沙尘暴中举行。下图：沙尘暴过后库珀的家和卡车
何种灾变才是罪魁祸首
库珀的世界中到底发生了何种灾难？我们的生物学专家们提供了一些可行但不是非常可能的答案。以下是其中几种。
利德贝特：现在（2008年）大多数人并不自己种粮食。我们依赖的是全球系统去完成粮食的种植和分配，也包括水的分配。你可以想象，一些生物或者地质上的灾变击垮了这个系统。举一个小范围的例子，如果内华达山脉持续几年不降雪，那洛杉矶将不会再有饮用水，1 000万人将被迫迁徙，加利福尼亚的农业输出将会直线下降。你可以轻易想象更大范围内的灾变。在库珀所处的世界里，人口大量减少并回到农业社会，生产和分配的问题才得到缓解。
西蒙：另一个可能的灾变是，当我们回顾人类历史时，人类和病菌之间的战争从未停止（细菌和微生物攻击人体、作物或动物）。我们人类已经建立起了一套复杂的免疫系统去对抗它们的直接攻击。但是，病菌和微生物也在不停地进化，我们总是比它们落后半步。到了某个节点上，细菌和微生物有可能进化得过快以至于我们的免疫系统无法跟上，那将是一场灾难。
巴尔的摩：举例来说，AIDS病毒可能很快会演化成比以前传染性强得多的形式，它可以不通过性，而是通过咳嗽和呼吸传播。
西蒙：在全球变暖的影响下，地球的冰帽融化，这可能会释放上一个冰河时期以前就潜伏下来的致命病菌。
利德贝特：还有另外一种情形。人们害怕全球变暖，而升温是由于大气层中的二氧化碳增加所致。为了拯救我们自己，人们很可能会利用海洋去大量繁殖海藻，进而通过光合作用来消耗大气中存在的大量的二氧化碳。把大量的铁扔进海里就能起到这样的作用，但是这可能会造成意料之外的灾变，因为你可能会制造出新的有毒海藻（化学毒物，而不是致命的生物）来毒化海洋，大量鱼类和植物会因此而死。人类文明严重地依赖于海洋，这对于人类来说将是一场大灾难。那不可能吗？才不是呢！把铁扔入局部大海产生藻类的实验已经有先例可循了。藻类多到在太空中也看得见，像一块绿斑一样（见图10-2）。之前，科学对其中一些生长繁盛的藻类的研究还不是很深入。我们很幸运，尽管这些新类型的海藻没有毒，但它们可以有！
迈耶罗维茨：紫外线透过大气层的臭氧空洞可能使繁盛的海藻发生突变，也就是产生新的病原体。这些病原体可能会先“扫荡”大洋里的生物，然后跳到陆地上“扫荡”庄稼。
巴尔的摩：在这样的灾难面前，我们仅有的希望就是依赖先进的科学和技术。如果不在政策上资助科学和技术或者用一种反智的意识形态去阻挠其发展，诸如对进化论的否认（这正是灾难的源头），那么我们可能会发现自己根本没有相应的解决方案。
摘自乔瓦尼/戈达德地球科学数据和信息服务中心/美国宇航局
图10-2 在倾泻了100吨硫化铁到英属哥伦比亚（British Columbia，加拿大的一个省）海岸附近的大洋之后的叶绿素浓度分布图（海藻）。铁诱使海藻生长，导致虚线椭圆之内海藻的叶绿素浓度变得很高
在这之后还有枯萎病——这些设想的最终结果。
泛型枯萎病，所有生物的终极杀手
枯萎病是对多数由病原体导致的植物疾病的泛称。
巴尔的摩：如果你想找到一种能消灭人类的东西，那么杀掉植物的枯萎病可能是最有效的方法。我们需要食用植物。没错，我们也能靠动物和鱼类的肉维生，但它们同样也需要食用植物。
迈耶罗维茨：可能枯萎病只要杀掉禾本植物就足够了，甚至不用杀掉其他植物。禾本植物是我们农业的主体：水稻、玉米、大麦、高粱和小麦。而且我们食用的大部分动物也吃它们。
迈耶罗维茨：我们已经生活在这样的一个世界[1]——50%
的食物被病原体摧毁了。在非洲，这个比例更高。真菌、细菌、病毒……它们都能够成为病原体。曾经在美国东海岸随处可见的栗子树现在已经不复存在，它们都被枯萎病杀死了。18世纪时，人们最喜欢的香蕉品种也已经被枯萎病灭绝，而替代品种卡文迪许蕉（Cavendish banana）现在也正在遭受枯萎病的威胁。
基普：我原来以为枯萎病是一种特型，只攻击一个很小的植物种群，而且不会传染给其他种群。
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利德贝特：也存在泛型的枯萎病。在作为攻击更多种类的泛型和攻击特定种类的特型之间似乎有一种平衡。特型枯萎病通常是高度致命的，它能干掉某个特定植物种群中的99%。至于泛型，能攻击的植物就多得多了，但其致命性对其中的每一种植物都低很多。我们发现这是自然界中反复出现的一种模式。
琳达：是否有一种枯萎病既是泛型，又同时具有更高的致命性呢？
迈耶罗维茨：类似这样的事情以前也发生过。在地球历史的早期，蓝藻开始制造氧气之后，整个地球的大气组分发生了根本性变化，它们实际上几乎杀死了地球上所有的其他生物。
利德贝特：但是氧气只是致命的副产品，蓝藻生成的是一种毒素，而非泛型病原体。
巴尔的摩：我们可能还没有见过，但是我能想象一种极端致命的特型病原体转变成了一种致命的泛型。它能够扩展自己的攻击范围——通过某种携带它的昆虫，从一个物种传播到另一个物种。比如日本的一种甲壳虫就能吃200多种不同种类的植物，它们携带的病原体能感染很多物种，然后这些病原体会变得越来越适合攻击这些植物，变得更加致命。
迈耶罗维茨：我能构想出一种对所有植物都具有致命性的泛型——一个攻击叶绿体的病原体。叶绿体普遍存在于所有植物中，它们对于光合作用（植物通过光照来结合空气中的二氧化碳和从根部吸收的水分，形成生长所需要的碳水化合物的过程）来说非常重要。没有叶绿体，植物就会死亡。现在我们假设某种新型的病原体演化了，比如就在海洋里，它变得可以攻击叶绿体了。那么，它将能够消灭海洋中所有的藻类和植物，然后跳到陆地上，所到之处寸草不生，化为沙漠，这是可能的。我想不出阻止它的办法。但它也许不是非常可行，实际上它不太可能会发生，但还是能够用来作为构建库珀所处世界的一个基础。
如果你关注日常的科学新闻，或者仅仅留意周围的世界，那么就会看到我的生物学同事在这一章中所介绍的各种情形的例子，很庆幸地是，我们看到的是一些温和的例子，而不是那种灾难性的。新近的一个例子就是致命性病菌从植物传染到蜜蜂的惊人跳跃。尽管病原体没有那么致命，但这比电影《星际穿越》中所描述的从秋葵到玉米的跳跃要大得多。
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这些思考让我们意识到：这些噩梦般的设想完全能令生物学家们寝食难安。电影《星际穿越》的焦点正是一种致命的泛型枯萎病肆虐全球。而布兰德教授还有另外一个担心那就是：人类很快就要把可供呼吸的氧气用光了！
[1] 此处的世界特指北美。——译者注
11 氧气危机
在电影《星际穿越》比较靠前的部分，布兰德教授对库珀说：“地球大气中的80%都是氮气。虽然我们不以氮气维生，可是枯萎病需要它。结果，它们越繁盛，空气中的氧气就越少。最后一批人在饿死之前就会被憋死。你女儿这一代将是地球上生存的最后一代人。”
教授的预言有科学依据吗？
这是一个生物学和地球物理学（geophysics）交汇的问题，所以我咨询了“枯萎病”专题晚宴上的生物学家，特别是艾略特·迈耶罗维茨，同时也请教了两位地球物理学家——加州理工学院的教授杰拉尔德·瓦瑟贝格（Gerald Wasserburg）和尤克·扬（Yuk Yung）。瓦瑟贝格是有关地球、月亮和太阳的起源与历史方面的专家，而尤克·扬则是大气物理与化学以及其他行星的大气科学方面的学者。从他们提供给我的信息与文献中，我了解到了下面这些内容。
可呼吸氧气的生产与破坏
我们吸入的氧气是两个氧原子通过电子束缚在一起所形成的一种分子。氧元素在地球上还以很多其他形式存在，举例来说：二氧化碳、水和地壳中的矿藏等。但直到有机物把它们转化为氧分子之前，人体都无法使用这些氧元素。
呼吸、燃烧和腐败过程都会消耗大气层中的氧气。氧气被我们吸入后，在人体内与碳元素相结合，形成二氧化碳，同时释放我们身体所需的能量。当木材燃烧时，火焰使大气中的氧气与木材中的碳元素快速结合到一起，生成二氧化碳，而这一过程产生的热量会维持燃烧的进行。当死亡的植物在森林地表腐烂时，它们的碳原子会缓慢地与大气中的氧原子结合形成二氧化碳，并释放热量。
大气中的氧气主要通过光合作用产生：植物中的叶绿体利用太阳的光能把二氧化碳分解为碳元素和氧气。氧气被释放到地球大气中，而植物会把碳原子与水中的氢原子和氧原子结合成碳水化合物，为生长提供能量。
海洋翻动，所有人都将死于二氧化碳中毒
像艾略特·迈耶罗维茨在上一章末推测的那样，假设自然界中进化出了一种能摧毁叶绿体的病原体，此时，光合作用尽管不会马上终结，但是会随着植物的死亡而逐渐终结。新的氧气不会再被制造出来，但因为呼吸、燃烧和腐败过程（结果证明主要是腐败过程）还在继续，所以氧气会一直被消耗下去。对于剩下的人类来说比较幸运的是，地球表面已经没有足够的植物腐败，否则会耗尽所有氧气。
大部分腐败过程将会在30年内完成，届时被消耗完的氧气大约只有1%。所以，地球上依然还会剩下足够的氧气可供库珀的子孙呼吸——如果到时他们还能找到什么可以吃的东西的话。糟糕的是，这1%的氧气被转化成了二氧化碳，那就意味着二氧化碳的含量在大气中将占到0.2%（显然，大气中最多的还是氮气）。这些二氧化碳足以让高度敏感的人呼吸不畅，同时（经由温室效应）或许还会使地球温度上升10摄氏度（这会让每个人都感到不舒服）。
若要让所有人呼吸不畅且睡意沉沉，需要比原来多10倍的氧气转化成二氧化碳；若要让所有人二氧化碳中毒的话，在此数量上还要再额外增加5倍，也就是氧气消耗共计增加50倍。到目前为止，我还没有找到一个能让其发生的可行机制。
所以，布兰德教授错了吗？（即使是理论物理学家也会犯错，应该说理论物理学家尤为如此。我很了解，因为我就是其中一员。）很可能是这样，他错了，但也不绝对。教授也可能是对的，但除非地球物理学家对大洋底部的理解与真实情况有着严重偏差。
在大洋底部和陆地上都有尚未腐败的有机物质。地球物理学家们认为，存在于大洋底部的量大约是陆地上的1/20。如果他们是错的——大洋底部比陆地上还要多50倍的话，同时如果还有某种机制能把它们挖出来，那么之后的腐败过程所产生的二氧化碳就可能让所有人缺氧，并死于二氧化碳中毒。
实际上，每隔几千年，某种不稳定性就会翻动海洋一次——表层的海水会沉入底部，而底层的海水则会被带上水面。可以想象一下，在库珀所处时代的那次翻转是如此剧烈，以至于上涌的底层海水将海床上的有机物质都一起带了上来。这些物质骤然地暴露于空气中，开始腐败，将氧气转化成二氧化碳。这一数量足以致命。
虽然可以这样设想，但是其中有两点不太可能发生：一个是大洋底部的有机物质不太可能比地球物理学家们估计的数量大出1 000倍，另一个是不太可能发生足够大的海洋翻转[1]。
话虽如此，但电影《星际穿越》中的地球真的正在走向灭亡，人类必须找到一个新家。除地球之外，太阳系的其他地方都非常糟糕，所以库珀他们才开启了太阳系外的搜寻之旅。
[1] 一些定量的细节和 地球物理学估计中巨大不确定性的解释， 请参见本书末尾的“ 附录2 技术札记”
12 星际旅行, 寻求地外生命支持
布兰德教授在与库珀初次见面时就告诉他，拉撒路任务（Lazarus Missions）已经将人类送上了寻找新家的旅途。
库珀回答说：“太阳系内没有行星能够提供生命支持，而到最近的恒星也要上千年。这甚至都不值得一试。你把他们送到哪儿去了，教授？”[1]
当你意识到最近的恒星距离有多遥远时，就马上能明白，要是没有一个虫洞，这种挑战是多么的“不值一试”（见图12-1）。
本图摘自理查德· 鲍威尔（Richard Powell）的网页www.atlasoftheuniverse.com
图12-1 地球附近12光年内的所有恒星。黄圈内标注的是太阳，紫圈内是比邻星，红圈内是鲸鱼座τ
最近恒星离我们有多远？
我们一般认为拥有可居住行星的最近恒星（不算太阳的话）是鲸鱼座τ（Tau Ceti，天仓五），它距离地球11.9光年，所以即使你以光速旅行也要花掉11.9年才能到达。即便有其他距离更近的适宜人类居住的行星，也不会比它近多少。
为了体会一下鲸鱼座τ距离地球有多远，我们拿熟悉的东西做个比较。让我们按照比例大幅度地压缩距离。想象这段距离相当于从纽约到澳大利亚的帕斯——差不多绕了半个地球。
除太阳之外，距离地球最近的恒星是半人马座的比邻星，距离为4.24光年，并且还没有证据表明在它周围存在着适宜生存的行星。如果到鲸鱼座τ的距离相当于从纽约到帕斯，那么到比邻星的距离就相当于从纽约到柏林，没有比鲸鱼座τ近多少！作为比较，人类曾经向星际空间发射过航行最远的无人飞船“旅行者1号”，现在距离地球大约18个光时，为了航行到那里它已经花了37年时间。如果到鲸鱼座τ的距离相当于从纽约到帕斯，那么从地球到“旅行者1号”之间的距离大约只有3 000米：这个距离是从帝国大厦（Empire State Building）到格林威治村（Greenwich Village）南端的距离，比从纽约到帕斯的距离还远得多。
对应地，从地球到土星的距离甚至更短：只有200米，即纽约两个东西街区的宽度，相当于从帝国大厦到公园大道的距离。从地球到火星就只相当于20米；而从地球到月亮（人类到达过的最远距离）的距离仅仅对应着7厘米的长度。
比较一下我们曾经到达过的月亮——7厘米外的地方，与跨越半个地球之间的差别。这就是人类想要移民太阳系外宜居行星时，所要求的技术上的跨越。
21世纪技术条件下的旅行时间
“旅行者1号”正在以17千米每秒的速度飞出太阳系，它已经利用木星和土星的引力弹弓效应加快了速度。在电影《星际穿越》中，“永恒”号从地球飞到土星花了两年时间，平均速度大约为20千米每秒。我认为，利用火箭技术加上太阳系内的引力弹弓效应，21世纪的最大航行速度可能达到300千米每秒左右。
以300千米每秒的速度计算，我们到达比邻星的时间需要5 000年，到达鲸鱼座τ的时间需要13 000年。前景并不乐观！
