《星际穿越》.epub

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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

“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

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。
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… …

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