中文版序
科学的力量

天体物理学巨擘 基普·索恩

我想这种热情很大程度上源于《星际穿越》中包含的大量真实的科学信息。我猜相比于美国文化来说，推崇学习的中国文化更乐于接受科学知识。所以，《星际穿越》在中国能够诱惑更多对科学感兴趣的人。我希望这本书的中文版能够像铁钩一样钩住这些感兴趣的人。

我希望我的书可以紧紧钩住年轻人，促使他们考虑投身科学事业。我也希望我的书可以紧紧钩住年长的人，让他们可以在余生中保持对科学的好奇心，并在日常生活中尝试应用科学原理。我衷心地希望这本书能够在中国加深人们对科学的认识。

每一次重温与吹毛求疵都是一个维度打开的机会

现在，距离《星际穿越》在世界范围内上映已经过去了5个月。这也给了我一个回复过去5个月来人们对电影的种种观点的机会。

通过与数百位观影者的对话和通信，我十分清醒地认识到，《星际穿越》不是通过一次观影就可以完全理解的。很多关键的科学概念在电影对话中仅仅出现了一次，而直到电影后半段，这些对话的意义才显现出来。因此在第一次观看时，人们很容易就忘掉了这些关键的对话，或者忽略了它们的重要性。很多科学信息只有看过电影两三次后才会变得清晰，而有些关键信息则需要更多的思考。

一个典型的例子是阿梅莉亚·布兰德（Amelia Brand）在米勒星球上的一段简短讲话（在大浪卷过“巡逻者”号致使道尔[Doyle]丧生后）。“他们，”她说，“是五维的生命。对他们来说，时间也许只是另一个物理存在的维度。对他们来说，过去也许只是一个他们能够跋涉进入的峡谷，而未来是一座他们可以攀登上的山峰。然而，对我们来说，并不是这样，明白吗？”在电影最后段，我们看到男主角库珀（正乘坐超立方体[tesseract]进入五维空间）沿着超立方体的对角线向上移动，相对于地球时间前往未来。我们稍微想一下就会明白，如果他在超立方体中向下运动，就会回到地球时间的过去。在五维世界里，库珀做到了阿梅莉亚所说的“他们”（五维世界的居民）能做到的事情。但若想完全理解这一切，大多数观众需要反复看几次电影并认真思考。

有时，在某些情节结束后，关键的解释才会出现在电影中，为观众（部分）厘清思绪。一个典型的例子是“超立方体”。在电影中，这个名词只在超立方体关闭的时候出现过一次。如果观众知道超立方体是指一个四维的立方体，并且知道当一个人处在超立方体的一个三维表面中时，他会被六个相对的表面环绕，那么也许就会开始理解之前半个小时的电影情节：库珀在环绕的三维表面上看到了他女儿墨菲的多个影像。

因此，我也希望这本书能够扮演电影指南的角色，帮助读者抓住电影中的科学概念，理解这些概念和现代科学的联系。有些影迷会希望享受反复观影带来的乐趣和智力挑战，只是在最后才阅读本书，以拓展视野。另一些观众也许会在观影前，或者是第一次观影后阅读本书，从而在接下来的重温中更加充分地享受电影。

在美国，一些权威人士总喜欢在每一部科幻电影刚刚上映时就对其吹毛求疵，傲慢地向人们指出电影存在这样或者那样的科学问题。《星际穿越》也未能幸免。人们从电影上映的第一周就开始挑刺，大多数人甚至不知道这本书的存在。华纳兄弟娱乐公司禁止我们在电影上映前为书做广告，这可能是因为担心书的广告会带给人们“电影太科学，对普通人来说难懂无趣”的印象。但是华纳兄弟允许我们在电影全球上映的同时打出广告。很多傲慢的评论者在写下批评数天后发现了这本书，在读过本书后，他们发现了自己的错误。我很惊讶他们中只有极少数承认了自己的错误，但我很高兴还是有人这么做了。

一个很常见的错误是评论者宣称米勒星球（靠近黑洞卡冈都亚[Gargantua]）上的一个小时不可能等于地球上的七年。这些傲慢的评论家们之所以会犯错，是因为他们对时间变慢的理解只是基于广义相对论对无自旋黑洞的预言。但是正如书中所解释的，黑洞的自旋，会创造一个飓风型的空间漩涡，从而保护行星不落入黑洞中。因此，行星可以非常靠近黑洞，而不被撕裂。在那里，时间流动大幅地变缓。如果黑洞卡冈都亚转得非常快，米勒星球上的一个小时确实可能等于地球上的七年。

权威人士的其他批评倒是可以原谅，因为在电影中，有些关于科学背景的暗示十分简短，不够充分，即使人们看过电影20次也未必能够领悟。在这些情况下，只有阅读本书才能完全理解，比如在电影高潮处扮演了重要角色的、诺兰设计的复杂超立方体。

每一个华丽特效都是一场严谨的科学追求

我科学生涯的一个重大乐趣是与保罗·富兰克林（Pual Franklin）的视觉特效团队一起打造了《星际穿越》中的虫洞、黑洞卡冈都亚以及卡冈都亚的吸积盘。这一合作的最高成就是,保罗因为《星际穿越》的视觉特效获得了奥斯卡最佳视觉特效奖以及英国电影与电视奖。几天前，我在伦敦访问了保罗和他的双重否定团队，并享受了和他们一起手持奖杯拍照的乐趣 。

正如我在本书中写到的那样，我和团队的首席科学家奥利弗·詹姆斯（Oliver James）以及艺术团队的负责人尤金妮娅·冯·腾泽尔曼（Eugénie von Tunzelmann）的合作尤其紧密。在2013年7月的一天，奥利弗建议我们改变生成电影中图像的办法。我们过去用的是科学家和电影制作者的标准算法，计算光线从光源（比如遥远的恒星）出发，到达虚拟摄像机（在黑洞卡冈都亚附近）的传播路线。这些光线构成了我们所看到的图像。但是这个方法有个问题：在IMAX巨幕上，即使用2300万条光线产生一个图像，当恒星在银幕上移动时，这个图像仍然会出现闪烁。奥利弗建议我们改进方法，不再计算一条条单独的光线路径，而是计算光束（由光线组成）的截面形状和传播路径。我给了奥利弗必要的方程，并一同工作了数周以完善这个新的方法。新的方法棒极了！图像的闪烁消失了，我们可以在前所未有的精度和平滑度上创作电影图像。我们总结了这一新的方法，并发表了一篇技术论文。很有可能，科学家和电影制作者接下来都会在某些视觉化项目中尝试我们的新方法。

奥利弗、尤金妮亚、保罗·富兰克林和我利用新的计算机程序（我们将之命名为“双重否定引力渲染器”）探索了在快速旋转的黑洞附近，虚拟摄像机拍摄到的景象——摄像机的位置比电影中与黑洞的距离近得多。我们发现，从遥远恒星发出的光线传播进入摄像机，分裂出了大量的像。这些像都聚集在黑洞阴影的一个边缘。在这个边缘处，黑洞周围的空间漩涡朝向虚拟摄像机。这个发现的意义不算重大，但是却十分有趣。我们将相关的讨论也写在了上面提到的技术论文中。在另一篇面向物理学学生的技术论文中，我们描述了如何在个人电脑中制作《星际穿越》中虫洞的图像。

这是双重否定公司的研发团队，他们是打造电影《星际穿越》中惊人、奇美特效的“神之手”，站在正中间的是我，我手上捧的是奥斯卡最佳视觉特效奖的奖杯。我的左面是团队的首席科学家奥利弗·詹姆斯，他手上捧的是英国电影与电视奖的奖杯。

在宇宙的狂野风暴中，乐享那宇宙弯曲的一面

人们常常问我，在参与电影《星际穿越》的工作时，我在进行什么样的物理学研究。答案并不出奇，是关于在遥远宇宙中的弯曲时空——我自己喜欢称之为“宇宙弯曲的一面”。也就是研究弯曲的时空，比如黑洞、虫洞以及奇点造成的种种现象。我感兴趣的课题是关于由弯曲的时空引发的“宇宙风暴”——海洋风暴的宇宙版本。电影《星际穿越》中展现的时空弯曲是平静的，就好像海上平静的日子。但是，如果两个旋转的黑洞出现碰撞，它们就会让时空漩涡变得狂暴起来。时间的流逝急剧变慢，又突然地加速，并持续疯狂地震荡。这也会让空间的几何发生疯狂的变化。

与我合作的是一群来自加州理工学院、康奈尔大学和其他地方的年轻科学家，他们通过计算机数值模拟来研究这些“风暴”。这是被我们称作“极限时空”（Simulating eXtreme Spacetimes，SXS）的研究计划的一部分。我和SXS团队的另一个成员马克·谢尔（Mark Scheel）一起总结了我们的一些奇妙发现，并发表在了技术论文中。

我们的研究并不仅局限于理论方面。风暴化的弯曲时空会产生引力波（时空中的涟漪），而引力波又会将风暴的信息带来地球。激光干涉引力波天文台（LIGO计划，1983年启动，我是奠基人之一）会从2015年起采用一套更先进的引力波探测器来做搜寻工作。

在很多年前，我已经将LIGO的领导权移交给了年轻一代的科学家，但我仍以极大的兴趣关注着他们的出色工作。我很有信心，在接下来的数年间，他们会真的探测到碰撞的黑洞发出的引力波信号，而我们则可以从观测分析的角度利用这些引力波来研究弯曲时空的狂野风暴。

当挑战演变成人类大危机时，请追随科学的巨大力量

在《星际穿越》中，人类生活的地球正遭遇着生物危机。大多数人为了生存而放弃了科学，只有少数人在利用科学的力量与危机作斗争，并试图拯救人类。在五维空间的居民——超体生物（bulk beings）的帮助下，这些人最终取得了胜利。

让我们感到幸运的是，我们今时今日的现实世界并未处于危机中。但是，我们也面临着一系列挑战。如果不能妥善处理，它们都可能演化为巨大的危机，比如，加速变化的气候、进化了的生物病原体（就好像埃博拉病毒）以及核武器的扩散。在面对这些挑战时，科学是一个非常有力的工具。但是，正如在《星际穿越》中展现的那样，很多人，甚至是掌握力量的政治领导人，都背离科学而去。他们或者拒绝相信这些危机的严重性，又或者希冀找到与科学无关的解决方法。

我希望，《星际穿越》这部被上亿人观赏了的影片，能够传递重要的信息：科学在处理严峻挑战时蕴含着巨大的力量；在挑战演化成重大危机前，用科学应对是非常重要的。这也正是克里斯托弗·诺兰和乔纳森·诺兰所希望的。