星际穿越科学顾问出虫洞科普书，华纳曾担心读者智商低看不懂

       

硬科幻电影《星际穿越》放映之后，掀起了全民揭电影“科学老底”的运动。为了满足公众的好奇心，同时也说明这部电影的科学可信，这部电影的科学顾问、国际顶尖黑洞研究专家索恩亲自写了同名书自揭老底。

       这本书是索恩写给所有人的天文学通识读本，揭示电影幕后的科学事实、有根据的推测和猜想，试图解开黑洞、虫洞、星际旅行等一切奇景的奥妙。

       索恩在《星际穿越》中文版序里回忆道，“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。”

       澎湃新闻经授权摘编该书“一场华梦，九年曲折：电影《星际穿越》的创生”部分书摘，分享给那些希望理解这个奇妙宇宙的读者。

我最杰出的好莱坞搭档

        一段失败的罗曼史最后发展成了开创性的友谊和合作关系，这段经历便是《星际穿越》这部电影的种子。

        1980年9月， 我 的 朋 友 卡 尔 • 萨 根（CarlSagan）给我打了个电话。他知道我是一个单身父亲，独自抚养着十几岁的女儿，在南加州过着单身汉生活，并且在从事理论物理专业的工作。

        卡尔打电话给我，建议我参加一次相亲——与琳达·奥布斯特一起参加一场首映活动。那是为卡尔即将上映的一部系列剧《宇宙》举办的。

        琳达是一位睿智漂亮的编辑，在《纽约时报杂志》（New York Times Magazine）工作，主要负责“反主流文化和自然科学”板块，当时刚刚搬到洛杉矶——她其实极不情愿到这儿来，但无奈拗不过她丈夫，不过这也加速了他们的离婚。这一切糟糕事情中的唯一亮点是 ：琳达开始尝试步入电影圈，参与构思一部名为《闪舞》（Flashdance）的电影。

        《宇宙》的首映礼在格里菲斯天文台（Griffith Observatory）举办，是一次正装活动，但我愚蠢地穿了一件浅蓝色燕尾服。洛杉矶所有有头有脸的人那天都在场！我虽然显得格格不入，但是却度过了非常愉快的时光。

        在此后的两年中，我和琳达时断时续地约会，但关系却没有更进一步的发展。虽然，她的激情迷住了我，但也使我身心俱疲。当时，我已经在犹豫这种疲惫是否值得，但无奈决定权不在我这一边。也许是因为我的丝绒衬衫和双面针织的肥大休闲裤，琳达很快就对我失去了兴趣，但是有一些更好的事情却正在发生 ：来自不同世界的两个完全不同类型的人建立起了一段持久的、富有创造性的友谊和合作关系。

        时间快进到 2005年10月，在我与琳达时不时进行的一次晚餐聚会中，我们从近期的宇宙学发现聊到了左翼政治，又从美味的食物一直聊到了电影制作的变化无常。彼时，琳达已经是好莱坞颇有才艺和成就的制作人（作品有《闪舞》《渔王》《超时空接触》《十日拍拖手册》），而我也已经结婚。我的太太卡罗尔•温斯坦（Carolee Winstein）已经成了琳达的好友。我在物理学界做得也还算不错。

        在一次晚餐中，琳达跟我说了她的一个想法。她构思了一部科幻电影，想让我帮她付诸实践。这将是她二度涉足科幻电影 ：之前，她曾与卡尔•萨根合作拍摄电影《超时空接触》。

        我从未想象过自己会参与一部电影的制作，在好莱坞与琳达一起冒险更是我做梦也没想过的。但是与琳达的合作很吸引我，特别是她提到了虫洞——一个由我开创研究的天体物理学概念，所以她轻而易举就拉我入伙了，并进行了一场头脑风暴。

        在接下来的 4 个月里，通过吃饭讨论、电子邮件和电话联系，我们粗略制定了电影的雏形——它包含了虫洞、黑洞、引力波、一个五维的宇宙，以及人类和更高维度空间里生物的缘分。

        但最重要的是，在我们的想象中，这部大片将根植于实实在在的科学，而且是人类认知的最前沿，甚至超过人类认知的科学。这部电影的导演、编剧和制片人都应对科学持有敬意，并且能从中寻求灵感，彻底地、令人信服地将科学融入电影素材中。这部电影应给观众呈现出宇宙中物理定律能够或可能创造的神奇事物，以及在掌握这些物理定律之后，人类可以成就的伟大事业。这部电影可以激发很多观众去了解科学，甚至可能让他们从此走向科学事业。

        9年后，《星际穿越》这部电影实现了我们的所有想象。但是这一过程有如电影《宝林历险记》一般颇为曲折，曾有数次我们的梦想几近坍塌。我们一度找到了电影界的传奇人物史蒂文 • 斯皮尔伯格，但后来又错失了与他合作的机会。我们还找到了一位非常优秀的年轻编剧乔纳森 • 诺兰，然而在非常关键的阶段，我们却又两次错失了机会——每次都导致了长达数月的进度停滞。在两年半的时间里，这部影片无人问津，也没有导演。最后，奇迹般地，它在乔纳森的哥哥、最杰出的新生代导演克里斯托弗 • 诺兰的手中复活并焕发出了新的生机。

谁是最初的导演？        

        2006年2月，在我们已经为这部电影琢磨了4个月的时候，琳达和托德 • 费尔德曼（Todd Feldman）共进了一次午餐。托德是斯皮尔伯格在创新艺人经纪公司（Creative Artists Agency）的经纪人。当费尔德曼问起她当时正在筹备的电影时，琳达谈到了与我的合作，谈到了我们对于一部从头到尾包含真正科学元素的科幻电影的憧憬——我们关于《星际穿越》的梦。费尔德曼听后也非常兴奋，他认为斯皮尔伯格可能会感兴趣，并且敦促琳达当天就把一份剧本大纲给他（他要的剧本大纲应是一个大约 20 页或更长篇幅的有关故事和人物的介绍）。

        当时，我们写下的所有东西也只有几封电子邮件，以及几次晚餐讨论时所做的笔记而已。所以我们以旋风般的速度工作了几天，精心制作出了一份长达 8 页的剧本大纲。我们对这份剧本大纲非常自豪，并把它寄了出去。几天之后，琳达发邮件给我 ：        

        斯皮尔伯格已经读了，并且非常感兴趣。我们可能需要和他见一面。好戏开始了，愿意来吗？

        我当然愿意！但是就在一个星期之后、具体见面时间都还未来得及安排时，琳达就打来了电话：“斯皮尔伯格要签下我们的电影！”她欣喜若狂，我也一样。“这种事情从来没有在好莱坞发生过，”琳达告诉我，“从来没有！”但是，它的确发生了。

        之后我向琳达坦白，我只看过斯皮尔伯格导演的一部电影——当然是《E.T.》，之所以这样是因为作为一个成年人，我一直对电影不是特别感兴趣。所以她给了我一份“家庭作业”，名为“基普必看的斯皮尔伯格导演的电影”。

        一个月之后的2006年3月27日，我们和斯皮尔伯格进行了第一次会面 ——或者说史 蒂文，我已经开始这么称呼他了。我们在他位于伯班克的电影制作公司安培林娱乐（Amblin） 的核心地带见面， 那是一个舒适的会议室。

        在会议中，我向史蒂文和琳达提出了两条准则 ：

        1. 影片中的情节不能违背已成定论的物理定律，也不能违背已牢固确立的我们对宇宙的认知。

        2. 对尚不明确的物理定律和对宇宙的猜想（通常十分疯狂）要源自于真正的科学。猜想的依据至少要被一些“备受尊敬”的科学家认可。        

        史蒂文对此很认同，并且接受琳达的建议，召集了一组科学家和我们集思广益，组织起一个《星际穿越》研讨会。这个研讨会于6月2日在加州理工学院举行。会议室就在我办公室外走廊的另一端。

        那是一次长达8个小时的会议，14位科学家兴奋地畅所欲言（包括太空生物学家、行星科学家、理论物理学家、宇宙学家、心理学家和一位空间政策专家），与会的还有琳达、史蒂文、史蒂文的父亲阿诺德（Arnold）和我。我们聚到一起，虽筋疲力尽，却收获了大量的新思路，并否定了一些不成熟的旧想法。这帮助琳达和我修改并丰富了我们最初的剧本大纲。

        由于还有其他事情要做，所以我们花了6个月时间才完成电影的剧本大纲。到 2007 年 1 月，我们的剧本大纲已经长达37页，此外还有16页关于电影所涉及科学的介绍。

一波三折的编剧遴选        

        与此同时，琳达和史蒂文开始物色编剧。这是一个漫长的过程，最终，他们把目光聚集在了乔纳森•诺兰这个年仅31岁的年轻导演身上。他刚和哥哥克里斯托弗合作过两部影片——《致命魔术》和《蝙蝠侠前传 3 ：黑暗骑士崛起》，而且都是大热影片。

        乔纳森（他的朋友叫他乔纳）虽然对科学知识的了解非常少，但他聪明，富有好奇心，又很好学。他花了几个月时间啃书本，以便了解关于《星际穿越》的所有科学知识。同时，他还提出了很多尖锐的问题。他为我们的电影提出了许多重大、新奇的想法，我们欣然接受。

        与乔纳一起工作是一件让人愉快的事情。很多个中午，他和我在加州理工学院的教工俱乐部中一起开动脑筋讨论关于影片的科学问题，通常会长达两三个小时。乔纳总是带着很多新主意和问题来与我共进午餐。有些问题我可能当场就能回答 ：“这在科学上是可能的，但那个不行……”但我的回答有时也是否定的。此时，乔纳就会敦促我多想想 ：“为什么？如果那样将会如何？”但是我反应比较慢，有时就算到了该睡觉时也没有理出个头绪来。但在半夜，当人的本能反应被抑制时，我通常能找到一些方法使他想要的东西成立，或者找到一种替代方法达到他的最终目的。慢慢地，我开始变得善于在半睡半醒的时候进行创造性思考。

        第二天一早，我通常会整理半夜写下的那些不太清楚的笔记，“破译”它们，并将之写到发给乔纳的邮件里。他可能会给我打电话、发电子邮件或者再约一次午餐，这样我们便能整合思路。通过这种方式，当我们探讨到引力异常（gravitational anomalies）以及如何利用它使人类飞离地球的时候，我恰好在当前知识领域的认知范围内发现了一些方法，让这些异常现象在科学上成为可能。

        在关键时刻，我们常常把琳达拉进来。她非常善于批判我们的想法，然后引领我们转向新的方向。在与我们一起为电影开动脑筋的同时，她还运用自己的神奇魔力阻止派拉蒙电影公司的干涉，好让我们保有创新自主权。此外，她也在计划下一步，即把《星际穿越》变成一部真正的电影。

        到 2007年11月，乔纳、琳达、史蒂文和我基本就故事结构达成了共识。整个故事经过了大面积修改，融合了琳达和我的最初剧本大纲、乔纳的伟大创意以及从我们的讨论中产生的许多新想法。然后，乔纳就开始全力投入剧本写作的工作。但是，2007年11月5日，美国作家协会号召罢工。乔纳被禁止继续写作，随后就消失了。

        我一下就慌了。我们所有的辛苦工作、我们的梦想难道就这样付之东流了？我询问琳达，她劝我要有耐心，但她自己显然也非常沮丧。她把这一切都生动地写进了她的书《好莱坞不眠夜》（Sleepless in Hollywood）中的第 6 章，题目是“大灾难”。

        罢工持续了3个月，于2008年2月12日结束。此时，乔纳回来了，接着写他的剧本，并且与琳达和我进行了密集的讨论。在随后的16个月中，他创作出了一份详细的剧本大纲，并先后修改了3遍。每一次完成的时候，我们都邀请史蒂文加入讨论。史蒂文总会提出些尖锐的问题，这通常会持续一个小时或更久。然后，他会给出很多建议、要求以及修改的指令。他并不怎么亲自动手，但他却很周到、犀利、有创意，有时还很严格。

        2009年6月，乔纳把剧本草稿的第 3 版给了史蒂文，然后就又“消失”了——在很久以前，他就接下了电影《蝙蝠侠前传3：黑暗骑士崛起》的剧本写作工作，却拖延了一月又一月，把时间都花在了《星际穿越》上。这时他不能再拖延，于是我们就没有编剧了。雪上加霜的是，乔纳的父亲此时也身患重病。乔纳在他父亲最后的几个月时间里，一直陪伴在伦敦，直到当年的12月份。经过这个漫长的沉寂，我越发担心史蒂文会因此失去兴趣。

        但史蒂文和我们一样在等待——等待乔纳的回归。虽然他和琳达完全可以请其他人完成剧本，但他们十分看重乔纳的才华，所以他们一直在等待。

        2010年2月，乔纳终于回来了。3月3日，史蒂文、琳达、乔纳和我进行了一次颇有成效的会面，主要讨论9个月前的第3版剧本。我感到一丝欣喜。终于，我们又回到了正轨。

        时间不知不觉就到了6月9日，乔纳已经在全力修改第 4 版剧本。而此时，我却收到琳达的一封邮件 ：

        史蒂文的协议现在出了点儿问题。我在想办法。

        ……

黑洞，光都无法逃逸的牢笼        

        黑洞卡冈都亚在《星际穿越》这部电影中扮演着重要角色。我们将在本章介绍黑洞的一些基本知识，并在下一章着重研究卡冈都亚。

        首先，请记住一个看似古怪的事实 ：黑洞就是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的，除此无他。

蹦床上的蚂蚁，黑洞弯曲的空间        

        假设你是一只蚂蚁，生活在一张儿童蹦床上——就是那种由高高立柱支撑起来的橡皮膜。此时，一块很重的石头落在其上，把橡皮膜拉向下方（见图 4-1）。不过，你是一只失明了的蚂蚁，看不见立柱、石块或者弯曲的橡皮膜。但你是一只聪明的蚂蚁，你怀疑自己生活与其中的整个宇宙（橡皮膜）是弯曲的。为了验证橡皮膜的形态，你先在橡皮膜上方靠外围的区域绕了一圈，并测量了圆圈的周长，然后你从这个圆圈的一头穿过中心点径直爬到另一头，并测量了圆圈的直径。如果你所在的世界是平直的，那么圆圈的周长和直径的比值应该正好等于圆周率，即 π（3.14159...）。可是在蹦床上，你发现圆圈的周长比直径还要小得多。这让你肯定，你的宇宙是高度弯曲的！

        在无自旋的黑洞周围，空间弯曲和蹦床类似。取黑洞的赤道面切片，你就会得到一个二维的表面。从高维空间（超体）中看，这个表面的弯曲方式和蹦床一样。图 4-2 展示了黑洞弯曲的空间，看起来与图 4-1 一样，只是我们移去了立柱和蚂蚁，并在黑洞中心用奇点代替了石头。我手绘的草图

        奇点是一个非常小的区域，在那里二维表面变成了一个点，所以空间才会产生“无限扭曲”。在奇点处，潮汐力无限强大，任何已知物体都会被拉伸和挤压到无法存在。在第25章、第27章和第28章中，我们会看到卡冈都亚的奇点与此处略有不同，而且还会知道为何不同。

        蹦床的弯曲是由石头的重量产生的。 你 可能会猜想，类似地，黑洞的空间弯曲也来自奇点。但并非如此。事实上，黑洞的空间弯曲是由引起空间弯曲的巨大能量造成的。这正是我想强调的。虽然这看起来像是自我循环，但却包含着更深刻的含义。

        正如准备射箭时拉开一张硬弓需要很多能量一样，若想使空间弯曲也需要大量能量。而正如弯曲的弓储存了弯曲能量一样（直到松开弦，能量才会从弓传送到箭上），弯曲能量也储存在黑洞的弯曲空间中。对黑洞来说，弯曲能量是如此巨大，以至于它本身就可以产生空间弯曲。

        空间弯曲这种非线性、自我循环式的行为违反了我们的日常经验，却正是爱因斯坦相对论物理定律的一个基本特性。这有点儿像科幻小说中的人物回到过去并孕育了自己的情节。

        这种自我循环式的空间弯曲并不在太阳系内发生。空间弯曲在整个太阳系中都显得非常小，这种能量也微不足道，远达不到产生循环式弯曲的级别。太阳系内几乎所有的空间弯曲都是由质量——太阳的质量、地球的质量、其他行星的质量直接产生的。相反，黑洞的空间弯曲则完全由弯曲自身造成。

视界困住的信号，黑洞弯曲的时间        

        如果你是第一次听说黑洞，那你可能首先想到的是它的引力，而不是它弯曲的空间。

        如果我带着一个微波发射器（microwave transmitter）落入黑洞，当我穿过视界后，将不可避免地被拉向下方的黑洞奇点。不管我怎样尝试，我发出的所有信号也会和我一样被拉向下方。任何处在视界上方的人都无法看到我穿过视界后发出的信号。我和信号都被困在了黑洞中（关于这一现象在电影《星际穿越》中的呈现，请看第27章）。

        困住我的实际上是黑洞的时间弯曲。假设我带着火箭喷射引擎在黑洞上方盘旋，我越靠近视界，我的时间流逝将变得越慢。在视界处，时间流逝将停滞。根据爱因斯坦的时间弯曲理论，我感受到的引力拉伸将趋于无穷大。        

        在视界内发生了什么？时间在那里将被极度弯曲，以至于你会认为时间的流逝方向与某个空间方向重合了 ：时间将向下流逝，指向奇点。事实上，时间之所以向下流逝，正是因为没有东西能离开黑洞。所有东西都被无可避免地拉向未来。在黑洞内部，未来指向奇点，远离视界，因此，一切都被无可避免地拉向下方，无法离开。        

无可抵抗的空间“漩涡 ”        

        黑洞可以自旋，就好像地球会自转一样。自旋的黑洞会拉动它周围的空间进行一种漩涡式的回旋运动（见图4-4）。就好像飓风中的空气在靠近黑洞中心的地方时空间回旋会变得越来越快，而越向外远离黑洞的地方会回旋得越慢一样，任何落向黑洞视界的东西，都会被回旋的空间拉着，不停地绕着黑洞做回旋运动，如同被飓风捕获和拖拽着的一根稻草。在视界附近，这种拖拽将变得无法抗拒。