中文版序
科學的力量

天體物理學巨擘 基普·索恩

我想這種熱情很大程度上源于《星際穿越》中包含的大量真實的科學信息。我猜相比于美國文化來說，推崇學習的中國文化更樂于接受科學知識。所以，《星際穿越》在中國能夠誘惑更多對科學感興趣的人。我希望這本書的中文版能夠像鐵鉤一樣鉤住這些感興趣的人。

我希望我的書可以緊緊鉤住年輕人，促使他們考慮投身科學事業。我也希望我的書可以緊緊鉤住年長的人，讓他們可以在余生中保持對科學的好奇心，并在日常生活中嘗試應用科學原理。我衷心地希望這本書能夠在中國加深人們對科學的認識。

每一次重溫與吹毛求疵都是一個維度打開的機會

現在，距離《星際穿越》在世界范圍內上映已經過去了5個月。這也給了我一個回復過去5個月來人們對電影的種種觀點的機會。

通過與數百位觀影者的對話和通信，我十分清醒地認識到，《星際穿越》不是通過一次觀影就可以完全理解的。很多關鍵的科學概念在電影對話中僅僅出現了一次，而直到電影后半段，這些對話的意義才顯現出來。因此在第一次觀看時，人們很容易就忘掉了這些關鍵的對話，或者忽略了它們的重要性。很多科學信息只有看過電影兩三次后才會變得清晰，而有些關鍵信息則需要更多的思考。

一個典型的例子是阿梅莉亞·布蘭德（Amelia Brand）在米勒星球上的一段簡短講話（在大浪卷過“巡邏者”號致使道爾[Doyle]喪生后）。“他們，”她說，“是五維的生命。對他們來說，時間也許只是另一個物理存在的維度。對他們來說，過去也許只是一個他們能夠跋涉進入的峽谷，而未來是一座他們可以攀登上的山峰。然而，對我們來說，并不是這樣，明白嗎？”在電影最后段，我們看到男主角庫珀（正乘坐超立方體[tesseract]進入五維空間）沿著超立方體的對角線向上移動，相對于地球時間前往未來。我們稍微想一下就會明白，如果他在超立方體中向下運動，就會回到地球時間的過去。在五維世界里，庫珀做到了阿梅莉亞所說的“他們”（五維世界的居民）能做到的事情。但若想完全理解這一切，大多數觀眾需要反復看幾次電影并認真思考。

有時，在某些情節結束后，關鍵的解釋才會出現在電影中，為觀眾（部分）厘清思緒。一個典型的例子是“超立方體”。在電影中，這個名詞只在超立方體關閉的時候出現過一次。如果觀眾知道超立方體是指一個四維的立方體，并且知道當一個人處在超立方體的一個三維表面中時，他會被六個相對的表面環繞，那么也許就會開始理解之前半個小時的電影情節：庫珀在環繞的三維表面上看到了他女兒墨菲的多個影像。

因此，我也希望這本書能夠扮演電影指南的角色，幫助讀者抓住電影中的科學概念，理解這些概念和現代科學的聯系。有些影迷會希望享受反復觀影帶來的樂趣和智力挑戰，只是在最后才閱讀本書，以拓展視野。另一些觀眾也許會在觀影前，或者是第一次觀影后閱讀本書，從而在接下來的重溫中更加充分地享受電影。

在美國，一些權威人士總喜歡在每一部科幻電影剛剛上映時就對其吹毛求疵，傲慢地向人們指出電影存在這樣或者那樣的科學問題。《星際穿越》也未能幸免。人們從電影上映的第一周就開始挑刺，大多數人甚至不知道這本書的存在。華納兄弟娛樂公司禁止我們在電影上映前為書做廣告，這可能是因為擔心書的廣告會帶給人們“電影太科學，對普通人來說難懂無趣”的印象。但是華納兄弟允許我們在電影全球上映的同時打出廣告。很多傲慢的評論者在寫下批評數天后發現了這本書，在讀過本書后，他們發現了自己的錯誤。我很驚訝他們中只有極少數承認了自己的錯誤，但我很高興還是有人這么做了。

一個很常見的錯誤是評論者宣稱米勒星球（靠近黑洞卡岡都亞[Gargantua]）上的一個小時不可能等于地球上的七年。這些傲慢的評論家們之所以會犯錯，是因為他們對時間變慢的理解只是基于廣義相對論對無自旋黑洞的預言。但是正如書中所解釋的，黑洞的自旋，會創造一個颶風型的空間漩渦，從而保護行星不落入黑洞中。因此，行星可以非常靠近黑洞，而不被撕裂。在那里，時間流動大幅地變緩。如果黑洞卡岡都亞轉得非常快，米勒星球上的一個小時確實可能等于地球上的七年。

權威人士的其他批評倒是可以原諒，因為在電影中，有些關于科學背景的暗示十分簡短，不夠充分，即使人們看過電影20次也未必能夠領悟。在這些情況下，只有閱讀本書才能完全理解，比如在電影高潮處扮演了重要角色的、諾蘭設計的復雜超立方體。

每一個華麗特效都是一場嚴謹的科學追求

我科學生涯的一個重大樂趣是與保羅·富蘭克林（Pual Franklin）的視覺特效團隊一起打造了《星際穿越》中的蟲洞、黑洞卡岡都亞以及卡岡都亞的吸積盤。這一合作的最高成就是,保羅因為《星際穿越》的視覺特效獲得了奧斯卡最佳視覺特效獎以及英國電影與電視獎。幾天前，我在倫敦訪問了保羅和他的雙重否定團隊，并享受了和他們一起手持獎杯拍照的樂趣 。

正如我在本書中寫到的那樣，我和團隊的首席科學家奧利弗·詹姆斯（Oliver James）以及藝術團隊的負責人尤金妮婭·馮·騰澤爾曼（Eugénie von Tunzelmann）的合作尤其緊密。在2013年7月的一天，奧利弗建議我們改變生成電影中圖像的辦法。我們過去用的是科學家和電影制作者的標準算法，計算光線從光源（比如遙遠的恒星）出發，到達虛擬攝像機（在黑洞卡岡都亞附近）的傳播路線。這些光線構成了我們所看到的圖像。但是這個方法有個問題：在IMAX巨幕上，即使用2300萬條光線產生一個圖像，當恒星在銀幕上移動時，這個圖像仍然會出現閃爍。奧利弗建議我們改進方法，不再計算一條條單獨的光線路徑，而是計算光束（由光線組成）的截面形狀和傳播路徑。我給了奧利弗必要的方程，并一同工作了數周以完善這個新的方法。新的方法棒極了！圖像的閃爍消失了，我們可以在前所未有的精度和平滑度上創作電影圖像。我們總結了這一新的方法，并發表了一篇技術論文。很有可能，科學家和電影制作者接下來都會在某些視覺化項目中嘗試我們的新方法。

奧利弗、尤金妮亞、保羅·富蘭克林和我利用新的計算機程序（我們將之命名為“雙重否定引力渲染器”）探索了在快速旋轉的黑洞附近，虛擬攝像機拍攝到的景象——攝像機的位置比電影中與黑洞的距離近得多。我們發現，從遙遠恒星發出的光線傳播進入攝像機，分裂出了大量的像。這些像都聚集在黑洞陰影的一個邊緣。在這個邊緣處，黑洞周圍的空間漩渦朝向虛擬攝像機。這個發現的意義不算重大，但是卻十分有趣。我們將相關的討論也寫在了上面提到的技術論文中。在另一篇面向物理學學生的技術論文中，我們描述了如何在個人電腦中制作《星際穿越》中蟲洞的圖像。

這是雙重否定公司的研發團隊，他們是打造電影《星際穿越》中驚人、奇美特效的“神之手”，站在正中間的是我，我手上捧的是奧斯卡最佳視覺特效獎的獎杯。我的左面是團隊的首席科學家奧利弗·詹姆斯，他手上捧的是英國電影與電視獎的獎杯。

在宇宙的狂野風暴中，樂享那宇宙彎曲的一面

人們常常問我，在參與電影《星際穿越》的工作時，我在進行什么樣的物理學研究。答案并不出奇，是關于在遙遠宇宙中的彎曲時空——我自己喜歡稱之為“宇宙彎曲的一面”。也就是研究彎曲的時空，比如黑洞、蟲洞以及奇點造成的種種現象。我感興趣的課題是關于由彎曲的時空引發的“宇宙風暴”——海洋風暴的宇宙版本。電影《星際穿越》中展現的時空彎曲是平靜的，就好像海上平靜的日子。但是，如果兩個旋轉的黑洞出現碰撞，它們就會讓時空漩渦變得狂暴起來。時間的流逝急劇變慢，又突然地加速，并持續瘋狂地震蕩。這也會讓空間的幾何發生瘋狂的變化。

與我合作的是一群來自加州理工學院、康奈爾大學和其他地方的年輕科學家，他們通過計算機數值模擬來研究這些“風暴”。這是被我們稱作“極限時空”（Simulating eXtreme Spacetimes，SXS）的研究計劃的一部分。我和SXS團隊的另一個成員馬克·謝爾（Mark Scheel）一起總結了我們的一些奇妙發現，并發表在了技術論文中。

我們的研究并不僅局限于理論方面。風暴化的彎曲時空會產生引力波（時空中的漣漪），而引力波又會將風暴的信息帶來地球。激光干涉引力波天文臺（LIGO計劃，1983年啟動，我是奠基人之一）會從2015年起采用一套更先進的引力波探測器來做搜尋工作。

在很多年前，我已經將LIGO的領導權移交給了年輕一代的科學家，但我仍以極大的興趣關注著他們的出色工作。我很有信心，在接下來的數年間，他們會真的探測到碰撞的黑洞發出的引力波信號，而我們則可以從觀測分析的角度利用這些引力波來研究彎曲時空的狂野風暴。

當挑戰演變成人類大危機時，請追隨科學的巨大力量

在《星際穿越》中，人類生活的地球正遭遇著生物危機。大多數人為了生存而放棄了科學，只有少數人在利用科學的力量與危機作斗爭，并試圖拯救人類。在五維空間的居民——超體生物（bulk beings）的幫助下，這些人最終取得了勝利。

讓我們感到幸運的是，我們今時今日的現實世界并未處于危機中。但是，我們也面臨著一系列挑戰。如果不能妥善處理，它們都可能演化為巨大的危機，比如，加速變化的氣候、進化了的生物病原體（就好像埃博拉病毒）以及核武器的擴散。在面對這些挑戰時，科學是一個非常有力的工具。但是，正如在《星際穿越》中展現的那樣，很多人，甚至是掌握力量的政治領導人，都背離科學而去。他們或者拒絕相信這些危機的嚴重性，又或者希冀找到與科學無關的解決方法。

我希望，《星際穿越》這部被上億人觀賞了的影片，能夠傳遞重要的信息：科學在處理嚴峻挑戰時蘊含著巨大的力量；在挑戰演化成重大危機前，用科學應對是非常重要的。這也正是克里斯托弗·諾蘭和喬納森·諾蘭所希望的。