The Science of Interstellar
W. W. Norton & Company
November 7, 2014
336
A journey through the otherworldly science behind Christopher Nolan’s highly anticipated film, Interstellar, from executive producer and theoretical physicist Kip Thorne.
作者：汪婕舒 | by Jieshu Wang
今天要推荐的书是：The Science of Interstellar by Kip Throne（《星际穿越》中的科学）
– 关于作者 –
本书作者基普·索恩（Kip Stephen Thorne，1940年6月1日～ ）是美国理论物理学家，就职于加州理工。他也是《星际穿越》的科学指导和执行监制。他在30岁时就成为了加州理工历史上最年轻的正教授之一。他和斯蒂芬·霍金、卡尔·萨根都是很好的朋友。
Kip Throne
索恩在1994年写过一本非常棒的科普作品《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》（Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy），介绍了黑洞理论在二十世纪的起源与发展。这本书被湖南科技出版社引入国内，作为著名的“第一推动”丛书之一。
– 关于本书 –
一开始，本书讲了《星际穿越》这部电影的来历。它起源于卡尔·萨根出版于1985年的一部科幻小说《接触》（Contact）。
《接触》封面
萨根的小说里，主人公通过一个黑洞进行了远距离穿越。他对这部分很不确定，求助于索恩。索恩认为通过黑洞来旅行太不可能了，于是建议他修改为虫洞。后来，这部小说拍成了电影，获得了1998年雨果奖。也是这次合作，让索恩产生了念头，要拍一部关于虫洞的电影。
当时，萨根为已离婚的索恩介绍了一个女朋友，叫琳达。索恩和琳达发现和对方相谈甚欢，但实在不适合结婚，于是两人成了好朋友。正好，琳达是一个电影制作人。索恩向她提出自己想拍电影的念头时，一拍即合，共同构思出一个关于虫洞、黑洞、高维空间的电影脚本。十几年中，历经几换导演（包括斯皮尔伯格），终于敲定了由克里斯托弗·诺兰导演，乔纳斯·诺兰编剧。又为了克里斯托弗的档期，等待了好几年，终于拍成了这部让科学家和大众都同样期待的精彩电影。
索恩讲述了自己与诺兰兄弟、双重否定视觉效果公司一起反复切磋电影视觉效果的过程。接下来，他开始从各个方面讲述自己对《星际穿越》中的科学的理解。包括卡冈图雅黑洞为什么是那个样子，地球上的枯萎病是怎么讨论出来的，虫洞是怎么回事，米勒行星上为何有巨浪，库珀如何从四维时空到了五维空间……不仅能让你回忆起电影中的精彩片段，还让你不知不觉了解到非常前沿的科学知识，这就是一道电影+科学的超级大餐。
当然，《星际穿越》也受到了很多批评。许多人指责电影中不符合科学原理的地方，比如说既然米勒行星被潮汐锁定了，为什么会有铺天而来的巨浪？如果你看过本书，将明白为什么会出现这些瑕疵（有的质疑其实根本不是瑕疵）。
接下来的内容，是我从本书中总结出来的，索恩向诺兰妥协的部分。
下文《星际穿越，现实比电影更精彩》已发表在《Newton科学世界·数字版》星际穿越专辑。如需转载，请联系杂志社。
《星际穿越》一上映就引起了轰动，号称史上最科学的科幻电影。虽然好评不断，但也有许多科学爱好者向科学指导基普·索恩提出了质疑，认为电影中有很多地方不符合科学。针对这些质疑，基普·索恩在《星际穿越的科学》（The Science of Interstellar）一书中做出了一些解释，但他也不得不承认，为了实现导演克里斯托弗·诺兰的要求，他放弃了许多科学。
索恩说，如果完全按照科学，许多镜头应该比电影精彩震撼一百倍！可诺兰却放弃了它们。这是为什么呢？一起来听听索恩如何吐槽诺兰。
1、永恒号上看到的黑洞被缩小了400倍
永恒号停在轨道上
电影刚开始没多久，库珀一行人去拜访米勒的行星时，永恒号飞船停在一个较远的轨道上。用库珀的话说是“沿着一条平行于米勒行星、距离黑洞较远的轨道运行”（So we track a wider orbit of Gargantua, parallel with Miller’s planet but a little further out.）这么做的原因是为了避免出现过大的时间膨胀（“out of the time shift”），这样永恒号与地球的时间流逝就不会差得太远。
为了实现这个目的，基普·索恩将永恒号的轨道定在5倍卡冈图雅半径的地方。从这里，库珀一行乘坐漫游者小飞船前往米勒的行星，正好需要2个半小时，非常符合诺兰对情节的要求。
然而，假如永恒号停在这个位置，那么从舷窗看到的卡冈图雅黑洞将巨大无比。黑洞的角距离大到50°，占据了永恒号的小半个天空！太壮观了。但是，诺兰认为，在电影刚开始不久就演出如此壮观的景象，不符合情节推进的节奏。因此，他决定，将黑洞的直径缩小了20倍，角距离缩小到2.5°，大小约等于从地球上看到的月亮的5倍大小。
这个缩小的黑洞已经引起了电影院的惊呼声。于是，你可以想象一下，如果按照真实的比例，它将多么震撼人心。
2、米勒行星看到的黑洞被缩小了300多倍
从米勒行星大气层看到的卡冈图雅黑洞
在电影里，库珀一行人乘坐漫游者小飞船从永恒号出发，前往米勒的行星。在即将进入大气层时，我们看到卡冈图雅黑洞出现在地平线的远方，周围笼罩着发光的吸积盘，角距离约有10°，比地球上看到的月亮大20倍！这一幕，让许多观众惊叹不已。
然而，如果按照索恩的设定，这里看到的黑洞应该更大，而且大得多！
我们知道，米勒行星上的时间比地球上慢很多，1小时相当于地球上的7年，因此它被基普·索恩设定在距离卡冈图雅黑洞很近的地方。但如果它真这么近，那它会深陷到黑洞周围极度扭曲的时空中。从米勒行星看卡冈图雅，就像从一个圆筒中望向出口一般，一端是黑洞，另一端是外面的宇宙。因此，卡冈图雅的角距离应该为180度，盘踞着整整半个天空！
想象一下，这幅画面是何等的壮观！
等等，还有更壮观的！由于米勒行星是距离黑洞最近的稳定行星，因此，它应该位于黑洞的吸积盘之内（如下图所示）。
这样，当库珀一行靠近它时，他们看到的景色应该是这样：抬头看，巨大的黑洞吸积盘，像一条奔流的大河，暴风骤雨般席卷着无数高速粒子，发出耀眼的光芒；低头看，脚下是黑洞那无边无际的阴影，像一个无底的深渊，无声无息却仿佛充斥着振聋发聩的呐喊，揪着你的心往下坠。
这，才是最符合爱因斯坦理论的黑洞形象。
然而，如果诺兰完全按照爱因斯坦的理论，将完全打乱电影的节奏——电影刚开始不久，就让观众看到如此震撼人心、一生难忘的镜头，足以刺激整个影院的肾上腺素，使电影过早达到高潮，后面的镜头将显得平淡无奇。因此，诺兰决定把这样的壮观场面留给到最后，而在这里把卡冈图雅黑洞缩小到仅有月亮20倍的大小，面积足足缩小了300多倍。
3、虫洞被诺兰拉长了！
电影中，NASA的科学家发现土星旁边出现了一个虫洞，通往宇宙的另一边。这个虫洞看起来像一个巨大的水晶球，清澈透明。透过它，能看到虫洞另一边被微微扭曲的景色。永恒号进入虫洞后，仅航行了几分钟时间，就到达了上百亿光年外的地方。好完美！
虫洞清澈透明的外表
可是，索恩不这么认为。在索恩的设定里，虫洞清澈的外表和穿越虫洞的时间，是一对矛盾。为什么会这样呢？
索恩为虫洞设定了三个参数：半径、长度和透镜宽度。如果用二维来模拟我们的三维世界，就是这样，如下图所示。
虫洞的半径决定了它的大小，长度决定了永恒号在虫洞中航行的时间，而透镜宽度决定了另一边传过来的光线的弯曲程度，也就是它的外表。
为了让地球上的望远镜看得到虫洞，也为了视觉效果，诺兰要求索恩把虫洞半径设置为1公里。同时，索恩设定了它的透镜宽度，类似于一颗不旋转的黑洞视界的周围空间。可是，在确定虫洞的长度时，索恩却遇到了麻烦。
根据爱因斯坦的理论，索恩建立了模型。假设在虫洞的另一端，视野的右侧有一个物体。索恩发现，如果虫洞很短，那么虫洞的右部将出现一个被扭曲的像（如下图1），称它为“像1”。在虫洞的左侧边缘，会出现一个极其纤细和扭曲的像，称为“像2”。如果虫洞的长度持续增加，那么像1和像2都会向虫洞中心移动，但像1会逐渐缩小，而像2会逐渐变大（如下图2）。如果虫洞的长度继续增加，那它们会继续往中心移动，同时在边缘又会陆续出现像3、像4、像5……（如下图3）。也就是说，虫洞越长，成像越复杂，就像啤酒瓶底一样，一环扣一环。
其中，像1是由路径最短的光线汇聚而成（下图中的黑线），像2是红线，像3是绿线，像4是棕线。
克里斯托弗·诺兰是一个高标准的导演。他认为，如果虫洞看起来像个啤酒瓶底一样乱七八糟，那观众一定会一头雾水——这什么玩意儿啊？所以，他要求索恩计算出一个清澈完整不扭曲的像。
然而，根据索恩的计算，要形成不扭曲的像，虫洞的长度必须非常非常短。短到什么程度呢？短到只有虫洞半径的1%，也就是100米左右。这么短的距离，永恒号一眨眼的功夫就过去了，观众根本注意不到啊，一点也不好玩啊！要让观众注意到“我们在穿越虫洞啦”，就必须拉长虫洞，但这样一来，虫洞的外表就会看起来像啤酒瓶一样扭曲。
怎么办？索恩无计可施，诺兰心生一计——他决定放弃索恩的虫洞理论。
这样，我们就看到了一颗清澈美丽的水晶球，也感受到了足够长的穿越旅行。
索恩并没有埋怨诺兰。相反，他说，在观看了电影之后，他对穿越虫洞这段情节非常满意。他说：“虽然并不科学，但诺兰抓住了虫洞的精髓，看起来很新鲜，也很吸引人。”
4、原本还有一颗小黑洞
当库珀一行人打算乘坐小飞船去米勒行星时，他们遇到一个问题：为了用离心力对抗卡冈图雅黑洞强大的引力，永恒号以高速运行在轨道上，速度为光速的1/3，也就是c/3（c为光速）。而米勒行星的速度为0.55c。小飞船必须先大大减速，被黑洞拉进去，当速度接近米勒行星时，再改变方向。为了实现这个目的，小飞船大约需要减速10万公里/秒。
这时，库珀说：“我们可以绕着那颗中子星来减速。”
这是为什么？先来看看这项任务有多困难吧！今天，人类最快的火箭速度为15公里/秒——不行，慢了7000倍。在电影里，永恒号从地球到土星花了2年，平均速度为20公里/秒——不行，慢了5000倍。
怎么办？还好，大自然为我们创造了天然的加速器——引力弹弓。引力弹弓是利用天体的引力来改变飞行器的轨道和速度，以节省燃料的方法，可以用来加速，也可以减速。像我们熟悉的旅行者1号就利用了木星和土星的引力弹弓。
经过索恩的计算，库珀的小飞船需要一颗中等质量的黑洞来做引力弹弓。这颗黑洞半径为1万公里，比卡冈图雅黑洞小1万倍，与地球差不多大。如果再小一些，库珀将被强大的潮汐力撕得粉碎。
第二颗黑洞？这时，导演克里斯托弗·诺兰犯愁了。一颗卡冈图雅还不够吗？还要再来一颗？就像两大盆水煮鱼，再好吃，也会烦呐！何况，观众们能理解吗？
于是，诺兰决定，把这颗小黑洞，换成库珀所说的“中子星”。这样，一个虫洞，一个黑洞，一个中子星，就像一盘凉菜，一盘热菜，一碗汤，完美搭配！让你吃得饱饱哒！
5、卡冈图雅黑洞原本更多彩
电影中的黑洞与吸积盘都很平滑，颜色也很单一。但基普·索恩认为，黑洞高速旋转的吸积盘的两侧，本应呈现出不同的色彩：一侧为明亮的蓝色，一侧为黯淡的红色。这是由于多普勒效应所造成的：当波源与观察者相向运动时，波长被缩短，色彩偏向光谱上蓝色那一边；反之，则波长被拉长，色彩偏向红色那一边。而电影中的黑洞吸积盘，并没有表现出这种差异。为此，基普·索恩饱受批评。针对这点，基普·索恩在书中也做了说明：诺兰为了不让观众迷惑，所以去掉了多普勒效应造成的色彩差异和形状不对称。
所以，这些都是为了满足诺兰的要求啊！
本文的理论和数据来源于基普·索恩所著的The Science of Interstellar。剧照版权属于华纳兄弟娱乐公司。