若想在21世纪大大提速这一旅行，你需要类似虫洞这样的东西（见第13章）。.3
18 第二选择，曼恩星球
当发现米勒星球不适宜人类居住后，库珀和他的船员们转向了曼恩星球。
曼恩星球，一个缺少太阳的世界
我从电影《星际穿越》的两个方面推断出了曼恩星球的轨道。
首先，道尔说过到曼恩星球的行程需要几个月时间。由此，我推测当“永恒”号到达曼恩星球时，离奇点，也就是黑洞卡冈都亚已经很远了。然后，当“永恒”号在曼恩星球轨道上的爆炸发生后，船员们很快就发现他们在被吸向黑洞的视界。由此我推测：当他们离开曼恩星球时，后者离卡冈都亚一定很近。
为了能同时满足这两点，曼恩星球的轨道肯定被拉得很长。此外，为了避免行星在接近黑洞卡冈都亚时被黑洞的吸积盘吞没，所以它可能的轨道必须远高于或远低于黑洞的赤道面，即吸积盘所在的平面（见图18-1）。
这表明轨道可能是像图18-1所画的那样。尽管行星的轨道可能一直延伸到了离卡冈都亚很远的地方——大约600倍的黑洞视界半径或更远[1]，但像我们太阳系里哈雷彗星的轨道一样（见图6-5），行星掠过黑洞附近然后又飞离很远的距离，再返回黑洞附近，之后再飞走。行星在每次或每两次掠过黑洞附近时，黑洞附近的空间回旋会使行星轨道发生进动，从而让这一次和下一次飞出轨道相比有很大的角度差，就像图里显示的那样。
无论在它飞回或飞离的轨迹上，曼恩星球不可能有恒星相伴，因为在黑洞附近，巨大的潮汐力将会使行星和恒星分开，把它们转向完全不同的轨道上去。因此，像米勒星球一样，曼恩星球一定是由黑洞暗淡的吸积盘来照亮和加热的。
图18-1 曼恩星球可能的轨道。计算基于大卫·萨洛夫（David Saroff）制作的一款界面非常友好的网页应用程序。想要一探究竟，请扫以下二维码
通向曼恩星球的旅程
“永恒”号飞往曼恩星球的旅程，开始于卡冈都亚附近，结束于离黑洞很远的地方。在我对电影的科学解释中，这个行程需要两次引力弹弓效应发挥作用（见第6章）——开始一次，结束一次。
开始时，挑战分两重：在卡冈都亚附近的停泊轨道上，“永恒”号是以1/3的光速（c/3）沿着黑洞的圆周轨道运动，但这却是个错误的方向，因为它必须偏转成远离黑洞的径向运动。“永恒”号的速度不够快，而卡冈都亚的吸引力太过强大。即使“永恒”号转为径向运动并保持着1/3的光速，但是黑洞的强大引力仍会让飞船飞出仅踞曼恩星球距离很小的一段就停下。为了抵消黑洞的引力，并达到和曼恩星球一样的运动速度——大约c/20，那么第一次弹弓过程需要使“永恒”号加速到接近光速的一半。为此，库珀必须找到一个中等质量黑洞，并且有合适的位置和合适的速度。
找到一个合适的中等质量黑洞并不容易，就算找到，从正确的位置和时刻进入它的轨道也不容易。在数个月的旅程里，库珀等人的大部分时间都花在了接近中等质量黑洞的轨道上，等待黑洞的出现或许就需要很长时间。一旦这个弹弓过程完成，去往曼恩星球的航程将从一开始的c/2逐渐减慢到c/20，这个过程又需要大约40天。
在第二次弹弓过程发生时，“永恒”号已经接近曼恩星球，它掠过了一个合适的中等质量黑洞，然后飞向行星，期待一次“温柔”的汇合：一次不需要消耗很多火箭燃料的汇合。
冰云，到达曼恩星球
在电影《星际穿越》中，“永恒”号停泊在曼恩星球的轨道上，然后库珀和他的队员驾驶“巡逻者”号降落到行星上。正如大家预计的那样，行星被冰层覆盖，因为在大部分时间里，行星都远离黑洞吸积盘的“温暖”。当“巡逻者”号接近曼恩星球时，我们看到它穿梭于云层之间，但之后蹭到了其中一片（见图18-2），这时我们才发现云实际上也是由某种冰组成的。
从和保罗·富兰克林的谈话中，我得到启发，想象这些云其实是大块的固体二氧化碳——干冰。然后，当行星飞向吸积盘时，开始被加热，如图18-1那样。当温度升高后，干冰开始升华、蒸发，所以这些云可能是干冰和蒸汽的混合物，也许大部分都是蒸汽。在低海拔处，“巡逻者”号着陆的地方，温度会高一些，所以他们着陆的地方都是冰冻的水。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图18-2 在曼恩星球上空，“巡逻者”号飞船擦着一片“冰云”的边缘
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图18-3 上：罗米利（由大卫·吉雅西[David Gyasi]扮演）、布兰德（由安妮·海瑟薇扮演）在和曼恩博士探讨地质数据的结果。下：这一页数据由艾丽卡·斯旺森为电影准备，号称是曼恩博士对从曼恩星球表面搜集的岩石进行的化学分析的结果。多快岩石表明有机体可以在此星球上生长
是谁打造了曼恩博士的地质数据
在电影中，曼恩博士一直在他所处的行星上寻找有机样本，而且他还声称找到了可能的证据——可能，但不确定。他把自己的数据结果给了布兰德和罗米利。
数据包括曼恩博士搜集的岩石样本位置信息和地质环境的现场记录信息，还有相应的岩石样本化学分析结果。这些化学分析就是曼恩博士阐述该星球上有机体存在的证据。
图18-3展示了一页数据结果。这些数据实际上是加州理工学院一位很有天赋的地质学博士艾丽卡·斯旺森（Erika Swanson）为影片准备的。艾丽卡也做过现场勘探和化学分析的工作，与曼恩博士很像。
电影中后来的结果是：曼恩博士伪造了数据。当然，这有一些讽刺意味，因为这些数据本身就是艾丽卡为电影编造的。显然，她从未实地勘探过曼恩星球。不过，也许会有这一天……
在这本书里，我没有讲关于曼恩博士的悲剧。它是一个人类的悲剧，没有科学的成分。悲剧的高潮是让飞船严重损坏的爆炸。这次爆炸、损坏和还有“永恒”号的设计都涉及科学和工程学的知识，所以让我们来说说它们。
[1] 在影片《星际穿越》 中，当“永恒”号在曼恩星球的轨道上运动时，我们看到卡冈都亚覆盖了0.9 度的天空——几乎是从地球看月亮的两倍。由此，我计算出曼恩星球是在大约600 倍的黑洞半径处。在这个距离上，行星飞到卡冈都亚附近至少需 要40 天——比船员们待在曼恩星球附近的时间长多了， 但是向外飞向行星的那段行程是合理的，见第6 章。
第六部分 极端物理
19 “永恒”号的夹缝求生
潮汐力与“永恒”号的设计
“永恒”号拥有12个连接成圆环的舱体以及1个位于圆环中心的控制舱（见图19-1）。两艘“登陆”号和两艘“巡逻者”号停靠在“永恒”号的中央控制舱上。
在我对电影的科学解释中，“永恒”号被设计为能够在强大的潮汐力中幸存下来。这一点对于“永恒”号穿越虫洞之旅至关重要。“永恒”号圆环的直径是64米，这几乎是虫洞周长的1%。对于钢铁和其他固体材料组件来说，当它们受到的扭曲力超过大约几个百分点时，就会破裂或粉碎，所以危险是显而易见的。而对于“永恒”号在卡冈都亚那里的虫洞会遭遇到什么，我们还一无所知。因此，它的承受能力被设计为远大于虫洞的潮汐力。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图19-1 “永恒”号。在其中央控制舱上停靠着两艘“巡逻者”号和两艘“登陆”号。“巡逻者”号朝向“永恒”号环状平面的外部；“登陆”号则平行于环状平面
细纤维能被弯曲成复杂的形状，并且纤维材料任何一个部分的扭曲都远远小于1%。关键在于纤维的细度。你可以想象“永恒”号的强度依赖于大量的沿圆环延伸的细纤维。就像一股缆绳能够撑起一座悬索桥，并且当强风吹过的时候能够按照需要弯曲一样。但是，那样会让圆环太容易变形。圆环需要能够较好地抵抗变形，这样在受到潮汐力影响的时候，它才不会形变太严重以至于导致舱体相互碰撞。
在我的解释中，“永恒”号的设计者们努力工作，使“永恒”号能够抵抗形变。同时，在遇到远强于预期的潮汐力时，“永恒”号虽产生形变却不会破碎。
曼恩星球上方轨道处的真实爆炸
当曼恩博士无意识地引发了一次大爆炸的时候，上述设计理念的确得到了回报。爆炸破坏了“永恒”号的圆环，破坏了环上的两个舱体，并使另外两个舱体受损（见图19-2）。
爆炸导致圆环以极快的速度旋转。它上面的舱体受到的离心力达到70 gees（即70倍地球引力；gee为引力单位，1 gee等于1倍地球引力）。它的破损端摇摆着相互远离，但是并没有破碎。在我的科学解释中，这是聪明的工程师们保守设计的一个极好例证。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图19-2 左图：“永恒”号的爆炸。“登陆”号在其上方，曼恩星球在其下方。（10道径向光束是由摄像机镜头中光的散射导致的镜头眩光，并非来自爆炸。）右图：爆炸之后破损的“永恒”号
顺便提一下，电影里的爆炸给我留下了深刻的印象。因为没有空气用来传播声波——太空中的爆炸不会发出声音，所以“永恒”号的爆炸是无声的。在这类爆炸中，因为供给燃烧的氧气会快速扩散到太空中，所以火焰一定会迅速熄灭。确实，在电影中，爆炸的火焰很快就熄灭了。保罗·富兰克林告诉我他的团队为了实现这一点付出了很多努力，因为爆炸是发生在电影片场的真实一幕，而不是电脑制造出的视觉特效。这是克里斯托弗·诺兰对科学精确性所做承诺的又一个例子。
我们对于黑洞卡冈都亚周边环境的讨论将我们从行星物理（潮汐力形变、海啸、涌潮等），带到了卡冈都亚的振动以及对有机生命存活迹象的搜寻，又带到了工程问题（“永恒”号的坚固设计和它破坏性的爆炸）。虽然我非常喜欢这些话题，并且研究过它们中的绝大部分或在之基础上写过教材，但它们并不是我现在最热衷的部分。我现在的热情在极端物理上，即那些处于人类认知边缘以及超越我们认知范围的物理上。这正是我将要谈到的。
20 第四维度和第五维度
作为第四维度的时间
在我们的宇宙中，空间有三个维度：上下、东西和南北。但是，当你约一位朋友去吃午餐的时候，不仅要告诉她在哪里吃饭，还得约定一个时间。从这个意义上来说，时间就是第四维度。
然而，时间是一种不同于空间的维度。我们可以随意向东或向西，只要作出选择然后行动就可以了。但是，在到达我们的午餐地点之后，在那个时刻、那个地点，我们无法穿越时间回到过去。无论我们如何努力，也只能顺着时间向前。相对论物理定律保证了这一点，而且要求必须如此。[1]
无论如何，时间是第四维度，是我们宇宙的第四个维度。我们生活的领域就是这样的四维时空：三维空间外加一维时间。
当物理学家们通过实验和数学方法探索这个时空领域时，我们发现时间和空间是通过好几种方式统一在一起的。从最简单的层面讲，当我们望向太空时，由于光在到达我们之前需要传播很长时间，所以我们自然而然地是在经历过去的时间。我们看到了一个距离我们10亿光年远的类星体，这是因为进入我们望远镜的光是从10亿光年之前发出的。
从更深的层面说，当你相对于我做高速运动时，我们对于事件发生的同时性就无法达成一致。两个爆炸，一个在太阳上，一个在地球上，你可能认为是同时发生的，而我却认为地球上的爆炸比太阳上的早5分钟。在这种意义上，你所认为的纯空间（爆炸之间的距离）的问题，在我看来却是空间与时间混合的复杂问题。
虽然空间和时间的混合似乎与直觉相悖，但这却是我们宇宙的基本构造。好在除了第29章外，我们在这本书里并不需要太过于在意这个问题。
超体：真实还是虚构？
在本书中，当我形象地展示弯曲空间的时候，总是把我们的宇宙画成一个二维的、弯曲的薄膜，或者我们的宇宙膜。它处于一个三维超体中，就像图20-1所展示的那样。当然，我们的宇宙膜事实上有三个空间维度，而超体有四个维度。但是我不太擅长画这种图，所以在我的图中，通常有一个维度是被去掉了。
由唐·戴维斯（Don Davis）根据我的草图所绘
图20-1 一个小黑洞旋转着落入一个大黑洞。此图从超体视角绘制，其中一个空间维度被去掉了
超体是真的存在，还是只是我们想象中的东西？实话说，在20世纪80年代之前，大多数物理学家，包括我自己，都认为超体是虚构出来的。
它怎么会是虚构的呢？我们不是确信宇宙的空间是弯曲的吗？“海盗”号发回的无线电信号（radio signals）不是很精确地揭示了空间的弯曲吗（见第3章）？是的……既然我们的空间的确是弯曲的，那么它难道不是必须弯曲在某个更高维的空间——某个超体内吗？
并非如此。我们的宇宙完全可能是弯曲的，但却并不存在于某个更高维的超体中。在不借助超体帮助的情况下，物理学家们就能够从数学上描述我们宇宙的弯曲。同样在不需要超体的条件下，我们也能够用方程表达出决定空间弯曲的爱因斯坦的相对论物理定律。事实上，这是我们在科研中几乎一直采用的方式。
在20世纪80年代之前，超体对于我们来说都只是一个视觉辅助工具——能够给我们提供关于数学结果的直观印象，能够帮助物理学家们之间以及与非物理学家们之间的交流。它只是一个视觉辅助工具，并不是真实存在的事物。
那么，如果超体是真的，又意味着什么？我们如何来检验它是否真实存在？只有当超体对我们测量的事物产生影响时，我们才能确定它的存在。在20世纪80年代之前，我们一直没有发现它能对我们的测量结果产生何种影响。
1984年，这种认识发生了改变，而且是彻底的改变。伦敦大学的迈克尔·格林（Michael Green）和加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwarz）在寻求量子引力理论发现的工作上取得了重大突破。[2]但让人感到奇怪的是，只有假设我们的宇宙是一个嵌在超体中的膜时，他们突破性的结果才能够成立。这个超体有一个时间维度和九个空间维度——比我们的宇宙膜多了六个空间维度。格林和施瓦茨所从事的数学理论叫作“超弦理论”。这个理论指出，超体的额外维度会以较为显著的方式影响我们的宇宙膜。当我们掌握了足够先进的科技时，就能够在物理实验中检测到这些方式。这些方式或许会使量子物理和相对论的统一成为可能。
图20-2 左图：1984年，迈克尔·格林（左）和约翰·施瓦茨（右）正在科罗拉多的阿斯彭徒步旅行。此时，正是他们取得突破性进展的时期。右图：因为他们的突破性贡献，迈克尔·格林（左）和约翰·施瓦茨（右）被授予2014年度基础物理学奖（Fundamental Physics Prize），奖金为300万美元。中间左数第一个人是尤里·米尔纳（Yuri Milner，奖项创始人），第二个人是马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg，Facebook联合创建人）
由于格林和施瓦茨的突破，物理学家们开始非常认真地对待超弦理论，并且付出诸多努力去探索和扩展它。也正因如此，我们已经开始认真地考虑以下这个想法：超体真实存在，并且的确能够影响我们的宇宙。
第五维度
尽管超弦理论指出超体比我们的宇宙多了六个空间维度，但实际上，我们还是有理由怀疑：额外维度的数目只有一个（我在第22章对此作出了解释）。
图20-3 我们的宇宙是一个具有四维时空的膜，处在一个五维的超体中。在图中，我省略了两个维度：时间和我们宇宙（膜）的上下维度
因为这个原因，也同时因为六个额外维度对科幻电影来说有点多，所以《星际穿越》中的超体只有一个额外维度，总共五个维度。其中三个空间维度和我们的宇宙膜一样：东西、南北、上下。它还和我们的宇宙膜共享第四个维度——时间维度。除此之外，它还有第五个空间维度：膜外维度（out-back）。在我们的宇宙膜的上方以及下方，它都垂直于我们宇宙膜的延伸，如图20-3所描绘的那样。
膜外维度在电影《星际穿越》中起了相当重要的作用，虽然电影中布兰德教授和其他人都没有用“膜外维度”这个词汇，只是用“第五维度”来指代。膜外维度是接下来的两章以及第24章、第28章和第29章的关键内容。
[1] 但是相对论的确提供了一种沿着迂回路线回到过去的可能性：先从我们的宇宙膜里飞出，然后通过迂回，在出发时间以前回到原地。我将在第29 章着重谈这个话题。
