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資料來(lái)源《星際穿越》

揭露物理世界的四大法則

從17世紀(jì)開(kāi)始，物理學(xué)家們就在努力探索物理定律是如何構(gòu)成和控制宇宙的。這與歐洲早期探險(xiǎn)家進(jìn)行的地理發(fā)現(xiàn)非常相似(見(jiàn)圖2-1)。

1506年，馬丁瓦爾德澤米勒(MartinWaldseemuller)畫(huà)的。

1570年，亞伯拉罕奧特柳斯(Abraham Ortelius)畫(huà)的

1744年，伊曼紐爾鮑恩(Emanuel Bowen)畫(huà)的

圖2-1 1506-1744年世界地圖

1506年，歐亞大陸的版圖已經(jīng)清晰，但南美仍然“朦朧”。1570年，美洲的輪廓已經(jīng)清晰，但地圖上仍然完全沒(méi)有澳大利亞的痕跡。1744年，澳大利亞的版圖也很清晰，但南極洲仍然是未知的領(lǐng)域。

類(lèi)似的情況也發(fā)生在物理世界中(見(jiàn)圖2-2)。1690年牛頓定律廣為人知.通過(guò)力、質(zhì)量和加速度將這些物理概念與這些物理概念聯(lián)系起來(lái)的方程(如F=ma)，牛頓定律可以準(zhǔn)確解釋月球圍繞地球的運(yùn)動(dòng)、地球圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)、飛機(jī)的飛行軌跡、橋梁的構(gòu)造原理、兒童玩的珠子的碰撞原理。在第一章中，我們簡(jiǎn)要描述了牛頓定律的例子：平方反比重力

規(guī)律。

圖2-2控制宇宙的物理定律

到1915年，愛(ài)因斯坦和其他物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明牛頓定律與超高速運(yùn)動(dòng)(物體接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí))、超大型(例如研究宇宙時(shí))和極強(qiáng)引力場(chǎng)(例如黑洞)有關(guān)的研究在某些情況下可能會(huì)失敗。

為了彌補(bǔ)這個(gè)漏洞，愛(ài)因斯坦提出了革命性的相對(duì)論物理學(xué)定律(relativistic laws of physics)。通過(guò)引入彎曲時(shí)間和彎曲空間的概念，相對(duì)論預(yù)言了宇宙的膨脹、黑洞、中子星和蟲(chóng)洞。

1924年，我們很清楚牛頓定律在微觀尺度上也不適用(例如在研究分子、原子和基本粒子時(shí))。為了解決這個(gè)問(wèn)題，尼爾斯玻爾(Niels Bohr)、維爾納海森堡(Werner Heisenberg)、埃爾溫薛定諤(Erwin Schr dinger)等物理學(xué)家引入了量子定律。這種理論認(rèn)為萬(wàn)物都會(huì)稍微隨機(jī)上升。隨機(jī)波動(dòng)可以在真空中產(chǎn)生新的粒子和輻射。量子定律給我們帶來(lái)了對(duì)激光、原子能、發(fā)光二極管和化學(xué)的更深的理解。

到1957年為止，相對(duì)論物理學(xué)定律和量子定律的本質(zhì)區(qū)別更加明顯。在重力很強(qiáng)，量子效應(yīng)也很強(qiáng)的情況下，他們會(huì)做出不同的預(yù)測(cè)，彼此不兼容。[1]其中包括宇宙誕生的大爆炸、黑洞(如卡綱杜亞)的核心部分以及過(guò)去傳遞信息的時(shí)間旅行。在這種情況下，不相容的相對(duì)論物理學(xué)定律和量子定律被卷入"熾熱的婚姻"[2]，產(chǎn)生了量子引力理論(laws of quantum gravity)(見(jiàn)圖2-2)。

我們還不知道量子引力理論的具體規(guī)律，但得到了吸引人的觀點(diǎn)，包括超弦理論(見(jiàn)第20章)[3]。這都得益于21世紀(jì)世界上最優(yōu)秀的物理學(xué)家們的巨大貢獻(xiàn)。雖然我們對(duì)它有一些了解，但量子引力理論仍然是一個(gè)未知的世界。反而給了激動(dòng)人心的科幻小說(shuō)以施法拳空間，諾蘭在《星際穿越》展現(xiàn)自己高超的電影技巧的充分想象空間。(莎士比亞，《北方新聞》)。

科學(xué)事實(shí)，有根據(jù)的推測(cè)和推測(cè)

電影《星際穿越》的科學(xué)依據(jù)涵蓋了牛頓定律、相對(duì)論物理學(xué)定律、量子理論、量子引力理論等所有四個(gè)理論領(lǐng)域。其中一部分是科學(xué)事實(shí)，另一部分是有根據(jù)的推測(cè)，另一部分是推測(cè)。所謂的“科學(xué)事實(shí)”必須植根于已經(jīng)確立的物理定律(牛頓定律、相對(duì)論物理學(xué)定律或量子理論)。而且它必須以充分的觀測(cè)事實(shí)為基礎(chǔ)。這些觀測(cè)事實(shí)都可以用上述物理規(guī)律來(lái)描述。

具體來(lái)說(shuō)，我在第一章中提到的中子和磁場(chǎng)是真實(shí)存在的，屬于科學(xué)事實(shí)。為什么這么說(shuō)？首先，中子星實(shí)際上是由量子定律和相對(duì)論物理定律預(yù)測(cè)的。第二，天文學(xué)家將來(lái)自中子星的大量脈沖輻射

（pulsar radiation）進(jìn)行了研究（包括可見(jiàn)光、X 射線、射電輻射）。這些脈沖輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)非常漂亮，如果這些脈沖輻射來(lái)源于自轉(zhuǎn)的中子星，那么它們可以精確地被量子定律和相對(duì)論物理定律描述。并且，人們至今還沒(méi)有找到其他合理的解釋。再次，中子星是切實(shí)的天文學(xué)預(yù)言，它們產(chǎn)生于超新星（supernovae）爆發(fā)。在超新星爆發(fā)的遺跡——巨大膨脹的氣體云中心，我們觀測(cè)到了同樣的脈沖輻射。因此，天體物理學(xué)家們對(duì)以下結(jié)論深信不疑：中子星確實(shí)存在，并且發(fā)出了可觀測(cè)到的脈沖輻射。

另一個(gè)科學(xué)事實(shí)是黑洞卡岡都亞和由它偏折光線所產(chǎn)生的恒星圖像的扭曲（見(jiàn)圖2-3）。物理學(xué)家們稱(chēng)之為“引力透鏡”[4]，因?yàn)檫@和我們使用放大鏡或者曲面鏡看到的變形圖像非常像，比如我們?cè)谟螛?lè)園的哈哈鏡中所見(jiàn)的景象。

來(lái)自雙重否定公司視覺(jué)特效團(tuán)隊(duì)為本書(shū)所做的圖像模擬

圖2-3 黑洞卡岡都亞所在星系的恒星，它們圍繞在卡岡都亞的陰影周?chē)??？▽紒喺凵淞税l(fā)自恒星的光線，因此這個(gè)星系看起來(lái)被強(qiáng)烈地扭曲了。這就是星系的引力透鏡現(xiàn)象

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論物理定律明確地預(yù)言了黑洞的所有性質(zhì)，從黑洞的表面到外圍，包括引力透鏡現(xiàn)象。天文學(xué)家們則擁有確鑿的觀測(cè)證據(jù)表明宇宙中的確存在黑洞，包括像卡岡都亞一樣的超大質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家們已經(jīng)觀測(cè)到很多引力透鏡現(xiàn)象（參見(jiàn)圖2-3）。盡管由黑洞引起的引力透鏡現(xiàn)象尚未有記錄，但已有的引力透鏡觀測(cè)與愛(ài)因斯坦相對(duì)論物理定律的預(yù)言非常精確地吻合了。

這對(duì)我來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。我提供了卡岡都亞的引力透鏡方程，而保羅· 富蘭克林的團(tuán)隊(duì)據(jù)此進(jìn)行了圖像模擬，這些圖像就是我們可能會(huì)看到的真實(shí)圖景。相反，電影中“枯萎病會(huì)危及人類(lèi)在地球上的生存”的橋段，一方面是一個(gè)有根據(jù)的推測(cè)，而另一方面也是一種猜想。下面我來(lái)解釋一下。

電影《星際穿越》劇照，由華納兄弟娛樂(lè)公司授權(quán)使用

圖2-4 焚燒感染了枯萎病的農(nóng)作物

在歷史上，我們可以找到農(nóng)作物被“枯萎病”（由微生物引起的快速傳播的疾?。├_的相關(guān)記載。理解枯萎病需要進(jìn)行生物學(xué)研究。生物學(xué)建立在化學(xué)理論的基礎(chǔ)上，而后者基于量子定律?？茖W(xué)家們現(xiàn)在還不知道如何從量子定律推導(dǎo)出所有相關(guān)的化學(xué)理論（但是他們已經(jīng)可以推導(dǎo)出很多了），他們也不完全知道化學(xué)和相關(guān)生物學(xué)之間的關(guān)系。然而，從觀察和實(shí)驗(yàn)中，生物學(xué)家們已經(jīng)知道了關(guān)于枯萎病的諸多事實(shí)。迄今為止，人們遇到的枯萎病還沒(méi)有由一種農(nóng)作物感染到另一種農(nóng)作物，然后迅速蔓延以致威脅人類(lèi)的生存。

但是，我們并不能保證這種事情不會(huì)發(fā)生。因此，“可能存在這樣一種枯萎病”是有根據(jù)的推測(cè)，而“這種枯萎病某天確實(shí)會(huì)發(fā)生”則是一種猜想。不過(guò)，大多數(shù)生物學(xué)家還覺(jué)得這不太可能會(huì)發(fā)生。

影片中發(fā)生的引力異常，例如庫(kù)珀扔出的硬幣突然快速落到地板上，這是一個(gè)猜想。同理，利用引力異常離開(kāi)地球、移民太空的情景也同樣是猜想。

盡管實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們?cè)跍y(cè)量引力效應(yīng)時(shí)曾經(jīng)努力尋找這些可能的異常現(xiàn)象——那些不能由牛頓定律或相對(duì)論物理定律來(lái)解釋的現(xiàn)象。但是，在地球上，人們至今仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)令人信服的引力異常現(xiàn)象。然而，在探索量子引力理論的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)宇宙似乎是更高維度的“超空間”中的一層宇宙膜①，物理學(xué)家們把這個(gè)高維空間叫作“超體”，請(qǐng)參見(jiàn)圖2-5、第3 章和第20 章。當(dāng)物理學(xué)家們把愛(ài)因斯坦的相對(duì)論物理定律運(yùn)用到超體中時(shí)，正如影片中布蘭德教授在他辦公室的黑板上所寫(xiě)的（見(jiàn)圖2-6），他們發(fā)現(xiàn)了引力異常存在的可能性——引力異?？梢杂沙w中的物理場(chǎng)觸發(fā)。

圖2-5 太陽(yáng)周?chē)膮^(qū)域。在圖中，宇宙被描繪成了一個(gè)二維的表面或者膜，存在于一個(gè)三維的超體中。事實(shí)上，我們的宇宙膜是三維的，而超體則是四維的。

圖2-6 布蘭德教授黑板上的相對(duì)論物理定律方程描述了引力異?？赡芨驳奈锢韺W(xué)基礎(chǔ)

實(shí)際上，我們還遠(yuǎn)不能確定超體的存在。如果超體存在且也屬于愛(ài)因斯坦相對(duì)論物理定律統(tǒng)治的世界，那么“引力異?！辈趴梢运闶且粋€(gè)有根據(jù)的推測(cè)?？墒?，即使超體存在，我們也并不知道是否會(huì)有作用場(chǎng)能誘發(fā)引力異常，即使有，我們也不知道它能否被控制。所以，引力異常和控制引力異常是極致的猜想。但是這些猜想有一定的科學(xué)依據(jù)，我和我的物理學(xué)家朋友們很熱衷于談?wù)撨@些問(wèn)題——至少是在幾杯啤酒下肚的晚上。所以這些猜想遵循的是在電影《星際穿越》中我所倡導(dǎo)的準(zhǔn)則：“猜想起源于真實(shí)的科學(xué)，至少那些‘備受尊敬’的科學(xué)家們應(yīng)認(rèn)為這些猜想是有可能的?！?/p>

在整本書(shū)里，每當(dāng)我們討論到電影中的科學(xué)問(wèn)題時(shí)，我都會(huì)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題的狀態(tài)：

T （Truth）——科學(xué)事實(shí)；

EG （Educated Guess）——有根據(jù)的推測(cè)；

S （Speculation）——猜想。

當(dāng)然，這些狀態(tài)并不是一成不變的；你有時(shí)可能會(huì)遇到它們?cè)陔娪袄锘蛟诒緯?shū)里發(fā)生變化的情況。對(duì)庫(kù)珀來(lái)說(shuō)，超體原本是一個(gè)有根據(jù)的推測(cè)。然而，當(dāng)他進(jìn)入超立方體后，這就變成了事實(shí)。而量子引力理論起初只是一個(gè)猜想，直到它被那個(gè)極富幽默的海軍機(jī)器人塔斯（TARS）在黑洞中提取出來(lái)時(shí)，庫(kù)珀和墨菲才意識(shí)到它的真實(shí)性。

對(duì)于19 世紀(jì)的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，牛頓的平方反比引力定律是絕對(duì)真理；但是在19 世紀(jì)90 年代前后，它被革命性地顛覆了，起因是由于人們觀測(cè)到水星環(huán)繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌道存在一個(gè)微小的反常。牛頓定律對(duì)于太陽(yáng)系的研究接近完美，但還差了一點(diǎn)兒。就這小小的異常開(kāi)啟了通往20世紀(jì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論物理定律的大門(mén)。在強(qiáng)引力場(chǎng)下引力定律會(huì)改變，這開(kāi)始只是一個(gè)猜想，后來(lái)有了觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析，就變成了有根據(jù)的推測(cè)，到1980 年，當(dāng)進(jìn)一步的觀測(cè)證據(jù)肯定了這一理論時(shí)，它就變成了科學(xué)事實(shí)。

已被公認(rèn)的科學(xué)事實(shí)很少遭到革命性的顛覆；但一旦發(fā)生，勢(shì)必會(huì)對(duì)科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。猜想變成有根據(jù)的推測(cè)，最后變成了科學(xué)事實(shí)，你能找出生活中類(lèi)似的例子嗎？你是否經(jīng)歷過(guò)由自己建立的理論被推翻并引發(fā)革命性結(jié)果的事情呢？

摘自《星際穿越》

[內(nèi)容簡(jiǎn)介]

在《星際穿越》之后，這一系列問(wèn)題全世界都在問(wèn)！本書(shū)將會(huì)告訴你答案！

為什么黑洞會(huì)吞噬一切，甚至連光都不能幸免？

為什么蟲(chóng)洞不是一個(gè)洞，而是一個(gè)球？

又是什么神奇的力量，讓米勒星球上的一小時(shí)等于地上七年？

最簡(jiǎn)明清晰的時(shí)間與空間理論入門(mén)讀本?；铡に鞫鹘淌?，電影《星際穿越》的唯一科學(xué)顧問(wèn)，以淺顯易懂的語(yǔ)言一一破解了宇宙中讓人瞠目結(jié)舌的奇景——大爆炸、黑洞、時(shí)空彎曲、潮汐力、蟲(chóng)洞、引力彈弓、星際旅行等，解釋了所有推動(dòng)劇情的天體物理學(xué)理論，還就內(nèi)容的真實(shí)性將書(shū)中的科學(xué)知識(shí)分為三種：科學(xué)事實(shí)、有根據(jù)的推測(cè)和猜想，并做了明確的標(biāo)注，以幫助我們解開(kāi)所有劇情設(shè)計(jì)與時(shí)空旅行之謎！

《星際穿越》是繼《時(shí)間簡(jiǎn)史》之后天體物理學(xué)領(lǐng)域的又一里程碑式著作。

[作者簡(jiǎn)介]基普·索恩（Kip Thorne）

全球頂尖理論物理學(xué)家，當(dāng)今世界研究廣義相對(duì)論下天體物理學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

致力于宇宙時(shí)空彎曲的研究，創(chuàng)建了全球知名的LIGO項(xiàng)目。

畢業(yè)于加州理工學(xué)院，在普林斯頓大學(xué)攻讀博士期間師從于全球頂尖物理學(xué)家約翰·惠勒。畢業(yè)后回到加州理工學(xué)院任教，30歲時(shí)便成為該校歷史上最年輕的教授之一。

好萊塢燒腦巨制《星際穿越》唯一科學(xué)顧問(wèn)，電影科學(xué)性的最強(qiáng)保證。

[1]在引力場(chǎng)非常強(qiáng)、量子效應(yīng)也非常強(qiáng)的情況下，光的能量有巨大的量子漲落，它的能量之大可以顯著地并且是隨機(jī)地扭曲時(shí)間和空間。這種漲落造成的扭曲超出了愛(ài)因斯坦相對(duì)論的范疇，而且這種扭曲對(duì)光的影響也超出了量子定律的范疇。

[2]“ 火爆的婚姻”這一說(shuō)法是由我的導(dǎo)師約翰· 惠勒提出的，他對(duì)命名新事物非常在行。約翰還創(chuàng)造了“黑洞”、“蟲(chóng)洞”和“黑洞無(wú)毛”等詞匯表達(dá)（參見(jiàn)第4 章和第13章） 。他跟我講過(guò)，他曾泡在澡盆中數(shù)個(gè)小時(shí)， 把自己的頭全部浸入肥皂泡里就是為了尋找一個(gè)形象、恰當(dāng)?shù)脑~。

[3]超弦理論（superstring theory）：引進(jìn)了超對(duì)稱(chēng)的弦論，是量子引力理論的候選者之一，包含11 維的時(shí)空。在這一理論中，我們的四維宇宙鑲嵌在高緯度空間中，并能受到高維世界的影響。——譯者注

[4]引力透鏡（gravitational lensing）：根據(jù)廣義相對(duì)論，就是當(dāng)背景光源發(fā)出的光在引力場(chǎng)（比如星系、星系團(tuán)及黑洞）附近經(jīng)過(guò)時(shí)，光線會(huì)像通過(guò)透鏡一樣發(fā)生彎曲。光線彎曲的程度主要取決于引力場(chǎng)的強(qiáng)弱。分析背景光源的扭曲，可以幫助研究其中作為“透鏡”的引力場(chǎng)的性質(zhì)?！g者注

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