星际效应：电影幕后的科学事实、推测与想像【2017诺贝尔物理学奖得主科普力作】 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Kip Thorne

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　　基普．索恩身为LIGO观测站的创办人之一，与同侪一起带领全世界顶尖科学家投入观测重力波的工作，终于在2015年9月第一次侦测成功，至2017年1月为止共观测到三个重力波事件，并以此成就与另两位物理学家共同获得2017年诺贝尔物理学奖。

　　重力波好比「时空涟漪」，由天体的剧烈运动引起。透过分析重力波的能量和来源，人类甚至将能追溯远至一百三十七亿年前宇宙大爆炸引起的余波，从而理解宇宙起源！

　　「这是全新且不同的发现，开启前所未见的世界！」——瑞典皇家科学院
　　「本世纪最重大的科学发现，比发现上帝粒子更伟大！」——格拉斯哥重力波研究中心主任 Jim Hough

　　◎世界顶尖物理学家写给大家的天文学通识课！
　　◎电影幕后，科学家的「里」设定大公开！
　　◎星际效应导演克里斯多福．诺兰专序推荐

　　从太空船的航速，到看似简单顺畅的降落行星之举，
　　从教授写满方程式的黑板，到毫不起眼的文件资料，
　　其实无处不经过科学家之手，无一不经过精密计算，
　　完全符合科学精神与理论！
　　没看过本书，别说你懂《星际效应》的成就！

　　《星际效应》导演──克里斯多福．诺兰：
　　本书缤纷展现了基普生气蓬勃的想像力，以及他想提高科学亲和性的不懈努力，让我们这群不具备他那般高强智慧或渊博学识的普通人，也都能亲近科学。
　　
　　《星际效应》科学顾问──基普．索恩：
　　电影一开始就根植于现实科学：位于人类知识的最前端，或稍微超前一些的科学……这是部从导演、编剧到制片，所有人都尊重科学的电影，而且整个剧情彻头彻尾从科学撷取灵感，将之编织融入电影的素材中……带领观众稍事领会物理定律可以与可能在我们的宇宙创造出哪些奇妙现象……

　　美国加州理工学院知名天文物理学家基普．索恩 ╳ 好莱坞大导演克里斯多福．诺兰
　　动员众多科学家+好莱坞顶尖电影人，打造世上第一部忠实呈现宇宙间各种天体现象的电影
　　从校园到会议室，从网路到小酒馆，掀起全世界前所未有的物理学讨论热潮
　　
　　在《星际效应》之前，这些只是天文物理宅钻研的专有名词：
　　重力导致的时空与时间扭曲效应；黑洞的吸积盘、奇异点、事件视界、
　　重力透镜、潮汐重力、重力波、重力弹弓；超弦理论与其他超空间推论……
　　
　　在《星际效应》之后，全世界都在问：
　　虫洞竟然不是洞，而是呈一个球体？
　　为什么黑洞不黑，上下围绕着一圈「光环」？
　　米勒的星球如此靠近「巨人」黑洞，为什么不会被它吞噬？
　　「巨人」的潮汐重力如何能在米勒的星球上激起四千公尺的巨浪？
　　在米勒的星球上「一小时等于地球上七年」，是怎么成立的？
　　超立方体如何传送三次元的库柏穿越五次元的「体」（bulk）？
　　为什么库柏拨动墙上那一堆细线，就可以传递重力波去影响指针动作？
　　
　　●最简明清晰的时间与空间理论入门读本
　　本书中，原本艰涩的天文物理知识，在索恩以浅白易懂的文字下依着电影剧情的推展娓娓道来，一一破解剧中所有设定之谜，还为读者就内容的真实性将书中的科学知识大致分为三种：严谨科学、有根据的推测、想像臆测，并在各章节前标示出该章或该节的内容属于何者，使本书成为最简明清晰的太空科学入门读本！
　　
　　●科学理论与电影工艺完美结合
　　索恩是当今世上研究重力、宇宙学、广义相对论的权威，为《星际效应》架构科学基础，也在本书中竭力以最鲜明的手法生动解释电影中涉及的科学，并揭露所有相关人士如何经过多少努力，使科学理论与电影工艺完美结合，令事实的呈现比虚构与幻想更令人觉得离奇与惊艳。

名人推荐

　　◎中央研究院天文及天文物理研究所研究副技师、《科学月刊》总编辑曾耀寰◎审订
　　◎学界联合推荐
　　中央研究院物理研究所
　　余海礼研究员，李世昌研究员，王子敬研究员
　　中央研究院天文所
　　林峻哲科学家，卜宏毅博士后研究
　　国立中央大学天文研究所
　　黄崇源教授，陈文屏特聘教授，周翊副教授
　　国立中央大学物理系
　　蒋正伟特聘教授
　　国立清华大学天文研究所
　　江国兴特聘教授
　　国立台湾大学物理学系暨天文物理所
　　吴俊辉教授
　　国立台湾大学物理学系
　　高涌泉教授
　　国立自然科学博物馆
　　孙维新馆长
　　
　　台北艺术节艺术总监
　　耿一伟老师
　　
媒体好评推荐

　　《BBC知识国际中文版》辜雅穗总编辑
　　《PanSci泛科学》郑国威总编辑
　　《科学人杂志》李家维总编辑
　　《探索频道杂志》陈豫弘总编辑

宇宙的边界与人类的求索：一部关于宇宙学、时间与认知的史诗 这是一部宏大叙事下的知识探索之旅，它不着眼于银河系间的具体航行，而是深入宇宙的基石——时间和空间本身，以及人类心智在理解这些概念时的极限与可能。本书将带领读者穿越理论物理学的迷宫，以一种既严谨又充满哲思的笔触，解构我们所处的时空结构，并追溯人类对“时间”这一维度最古老的困惑。 第一部分：时空织锦的解构 本书的开篇，旨在为读者构建一个坚实的理论基础，理解我们习以为常的“日常”如何被现代物理学颠覆。我们不再仅仅讨论遥远恒星的命运，而是回溯到宇宙的黎明，探讨时空起源的极限条件。 我们首先聚焦于爱因斯坦的广义相对论，但视角并非停留在黑洞的事件视界，而是深入到引力场方程的几何本质。书中将详细阐释，引力并非一种“力”，而是时空弯曲的体现。我们将探讨如何用微分几何的语言来描述宇宙的宏观结构，理解宇宙膨胀的数学必然性。重点在于，我们将剖析那些导致理论崩溃的奇点——无论是大爆炸的初始奇点，还是黑洞的中心奇点——它们标志着现有物理学描述的终结，迫使我们寻求更深层次的理论。 紧接着，我们会深入探讨量子场论与时空结构的交汇点。宇宙的最小尺度，普朗克尺度，是一个充满不确定性的领域。书中将介绍圈量子引力（Loop Quantum Gravity）和弦理论（String Theory）等前沿尝试，它们试图将引力与量子力学统一起来。这些理论如何重新定义了“空间”和“时间”的连续性？它们是否暗示了时间并非一个连续的参数，而是在极小尺度上被“量化”的？我们将详尽分析这些理论框架如何处理时间箭头问题，以及它们对“空间”是否是基本实在的深刻质疑。 第二部分：时间的箭与认知的困境 时间，是我们最真切的体验，却也是物理学中最令人困惑的概念之一。本书将花费大量篇幅，探讨时间之箭（Arrow of Time）的物理学本质，而这与热力学密切相关。 我们将从热力学第二定律——熵增原理出发，解释为什么时间似乎只有一个方向：从有序到无序。然而，我们深知，微观物理定律（如牛顿定律或薛定谔方程）在时间反演下几乎是对称的。这种宏观与微观的不对称性是如何产生的？书中将探讨波函数塌缩的本质，以及信息论在定义时间方向中的潜在角色。 此外，本书还将探讨认知科学与时间感知的交叉领域。我们的“现在”究竟意味着什么？我们的大脑是如何建构过去和未来的叙事的？书中将引入心理时间感的概念，对比物理学上的时间流逝与人类主观体验的巨大差异。我们还会审视那些挑战我们直觉的现象，比如时间膨胀（Time Dilation）——速度和引力如何使得不同观察者的“现在”变得相对且不同步。 第三部分：可能的宇宙与存在的边界 在坚实的物理学基础上，本书将转向更为推测性的领域，但这些推测并非空中楼阁，而是基于现有理论框架的逻辑延伸。我们将探讨多重宇宙（Multiverse）的几种主要模型。 我们将详细解析永恒暴胀理论（Eternal Inflation）如何自然地导致了不同“泡泡宇宙”的产生，每个宇宙可能拥有不同的物理常数。读者将了解到，如果这些理论是正确的，那么我们宇宙中那些“恰到好处”的常数（如精细结构常数）就不仅仅是幸运，而是概率的必然。 另一个核心议题是时间旅行的理论可行性。我们将严谨地分析虫洞（Wormholes）作为潜在时间机器的数学条件，包括它们需要满足的奇异物质（负能量密度）的要求。同时，我们将深入探讨因果关系保护猜想（Chronology Protection Conjecture），即自然法则是否会阻止悖论的出现。这不是科幻的想象，而是对数学结构内在一致性的深刻探究。 第四部分：信息、熵与宇宙的终局 最后，本书将把视角聚焦于信息与熵在宇宙中的终极角色。信息论，作为衡量不确定性的工具，如何与热力学熵相联系？我们将讨论黑洞信息悖论——信息是否真的可以被销毁？如果是，这对量子力学的基本原则意味着什么？ 我们将探讨宇宙的终极命运。是热寂（Heat Death），一个充满均匀、无差别的状态？还是大撕裂（Big Rip），当暗能量的斥力变得过于强大时，时空结构本身被撕碎？或是某种尚未被预测的收缩或循环？这些终极的推演，都基于我们对能量、物质和时空几何的当前理解。 全书旨在构建一种跨越学科的视野：从普朗克尺度上的时空量子化，到宇宙尺度的命运，再到人类心智如何认知这永恒的流动。它是一部关于我们所处现实的极限测试，一部关于物理学如何不断拓展我们想象力的史诗。它不提供简单的答案，而是呈现了知识前沿最引人入胜的挑战与美丽。

作者简介

基普．索恩(Kip Thorne)

　　美国理论物理学家，加州理工学院费曼理论物理学讲座教席暨名誉教授，电影《星际效应》科学顾问暨执行制作人。

　　主要研究领域为重力物理和天文物理学。许多活跃于相关领域的新一代科学家都曾经过他的培养和训练。索恩和物理学家史蒂芬．霍金，以及美国天文学家暨科幻小说作家卡尔．萨根（Carl Edward Sagan，电影《接触未来》［Contact）原着作者）保持长期的好友和同事关系，是当今研究广义相对论下的天文物理学领域之领导者。

　　其他着作：
　　˙《时空的未来》（The Future of Spacetime）｜协同作者：史蒂芬．霍金（Stephen W. Hawking）、伊戈尔．诺维科夫（Igor Novikov）、提摩太．费里斯（Timothy Ferris）、艾伦．莱特曼（Alan Lightman）和理查．普莱斯（Richard H. Price）
　　˙《黑洞与时间弯曲：爱因斯坦的幽灵》（Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy）
　　˙《黑洞：薄膜范式》（Black Holes: The Membrane Paradigm）｜协同作者：理查．普莱斯和道格拉斯．麦克唐纳（Douglas A. MacDonald）
　　˙《重力论》（Gravitation）｜协同作者：查尔斯．麦思纳（Charles W. Misner）和约翰．惠勒（John Archibald Wheeler）
　　˙《重力理论和重力塌缩》（Gravitation Theory and Gravitational Collapse）｜协同作者：B. 哈里森（B. Kent Harrison）、约翰．惠勒（John Wheeler）、Masami Wakano

译者简介

蔡承志

　　第七届吴大猷科普着作奖「翻译类」金签奖。

　　国立政治大学心理学硕士，全职科普类书译者。一九九四年起业余投入翻译，一九九九年转任全职迄今，累计作品出版者近七十本。译作《给未来总统的物理课》（漫游者出版）荣获第七届吴大猷科普书翻译金签奖。

　　相关作品包括《好奇号带你上火星》、《无中生有的宇宙》、《时空旅行的梦想家：史蒂芬．霍金》、《一本就通：宇宙史》、《无限大的祕密》、《如何帮地球量体重》、《约翰．惠勒自传》、《穿梭超时空》、《致命伊波拉：它藏在哪里？下一次大爆发会在何时？我们能遏止它吗？》等。

序言──克里斯多福．诺兰（Christopher Nolan）
绪论──基普．索恩（Kip Thorne）

1. 一个科学家在好莱坞：《星际效应》的创生

■ I. 基本原理
2. 简单认识我们的宇宙
3. 主宰宇宙的定律
4. 翘曲时间、翘曲空间和潮汐重力
5. 黑洞

■ II. 巨人
6. 巨人的解剖构造
7. 重力弹弓效应
8. 塑造「巨人」的影像
9. 圆盘和喷流
10. 第一批演化基础建材的意外事故

■ III. 地球上的灾难
11. 枯萎病
12. 我需要氧气
13. 星际旅行

■ IV. 虫洞
14. 虫洞
15. 勾勒《星际效应》片中虫洞的模样
16. 发现虫洞：重力波

■ V. 探勘「巨人」黑洞的环境
17 米勒的星球
18. 「巨人」的振动
19. 曼恩的星球
20. 永续号

■ VI. 极限物理学
21. 第四和第五次元
22. 「体」生物
23. 重力牢笼
24. 重力异常
25. 布兰德教授的方程式
26. 奇异点和量子重力

■ VII. 剧情高潮
27. 火山环
28. 坠入「巨人」黑洞
29. 超立方体
30. 传讯给过去
31. 殖民区升空离地

序言

　　参与《星际效应》制作的最大乐趣之一就是结识基普．索恩。从我们第一次交谈，我就明白看出他对科学有股深具感染力的热情，还有他有多不愿意勉强提出不成熟的见解。不论我就故事情节抛给他哪种挑战，他总是四平八稳，慎重考量，还有最重要的是，秉持科学态度来因应处理。他费心指引我坚守合理正轨，当我不肯言听计从轻信所述，他始终没有表现丝毫不耐。（不过，有次我抛出一项难题，请他在两週之内解决他不得超过光速的禁律，当时好像曾引来微微一声叹息）

　　他认为自己并不是扮演科学警察角色，而是剧情叙事协同创作人──在我写剧本作茧自缚之时，帮我遍览科学期刊和学术论文，想法子帮忙解套。基普教导我科学的关键特性──面对大自然意外事例心怀谦逊。这种态度让他得以欣赏臆测小说提出的种种可能性，从另一个角度入手探究悖论和不可知──讲故事的角度。本书缤纷展现基普生气蓬勃的想像力，铺陈他如何致力不懈提高科学亲和性，让我们不具备他那般高强智慧或渊博学识的普通人，也都能够亲近科学。他希望民众能理解我们这处宇宙的狂乱真理，并对这些真相涌现兴奋激情。本书结构是要让读者深入探究，让科学性向高者能见其深，低的人也不会一无所获，所有人都能体验到箇中乐趣，分享我努力追随基普灵敏心智时的欢欣感受。


绪论

　　我投入科学家生涯已经延续半个世纪了。从事这行（大半时间）充满欢欣乐趣，也让我对我们这个世界和这处宇宙，养成了一种强有力的观察视角。

　　我在小时候还有随后在青少年时期，幸蒙好些人士的着述启发，才立志当个科学家，包括以萨．艾西莫夫（Isaac Asimov）、罗勃特．海莱茵（Robert Heinlein）以及其他作家的科幻着述，还有艾西莫夫和物理学家乔治．伽莫夫（George Gamow）的科普类书。我深受那些人士的恩泽，也渴盼能把他们的理念转达给下一代来回报前辈；我的做法就是一体看待年轻人以及成人，引领他们进入科学的世界，涉足现实的科学；我还为非科学家解释科学的运作方式，阐明科学为我们每个人，为人类的文明，以及为整个人类族群带来了何等强大的威力。

　　克里斯多福．诺兰的《星际效应》电影就是落实那项心愿的理想信使。从《星际效应》孕育之初就投入参与是我莫大的福气（而且那是运气使然）。我协助诺兰和其他人把现实科学编织纳入电影的素材。

　　《星际效应》的科学原理，大半都位于人类知识的最前缘或者稍微先进一些。这点为影片更增神祕色彩，也让我有机会阐释区辨严谨科学（firm science）、有根据的推论（educated guess），以及想像臆测（speculation）的相异之处。这让我能描述科学家如何检验起初只是种想像臆测的概念，证明理念不成立，或者把它们转变为有根据的推论或严谨科学。

　　这方面我有两种做法：首先，我解释目前对电影中所见现象（黑洞、虫洞、奇异点、第五次元等）的相关认识，同时也说明我们是如何学到这些知识，以及我们期望如何掌握未知。第二，我秉持科学家的视角，就我们在《星际效应》片中所见景象加以诠释，这就很像艺术评论家或一般民众针对一幅毕卡索画作所做诠释。

　　我的诠释通常都针对片中情景来铺陈，描绘我心中设想其幕后的可能发展：「巨人」（Gargantua）黑洞的物理学，黑洞的奇异点、视界和可见外观；巨人的潮汐重力如何在米勒的星球上激起四千尺水波浪涛；具有四个空间次元的超立方体如何传送三次元的库柏穿越五次元的「体」……

　　我的诠释有时是从《星际效应》剧情外推产生，超出在电影所见内容；举例来说，布兰德教授如何早在电影开始之前就凭借重力波发现了虫洞，那股重力波是从巨人附近一颗中子星发出，穿过虫洞才传抵地球。

　　当然了，这些都是我自己的诠释，而且都没有获得诺兰的认可，就好比艺术评论界的任何诠释也从来不曾获得毕卡索的认可。这些诠释是我用来描述某种奇妙科学的工具。本书或有部份段落显得艰涩，但这正是现实科学的本色。科学的要件是思想。有时必须有深刻的思想。不过思索也会有回报。你可以直接跳过艰涩的部份，也可以费劲设法读懂。倘若你绞尽脑汁却徒劳无功，那么错在于我，不在于你，我向你道歉。

　　我希望各位起码都有一次在夜深人静，半睡半醒之间，心中苦思我所写的某段内容，就像我也在夜晚苦思诺兰为了完善剧本抛给我的诸般问题。我也特别期望各位在夜深人静，思前忖后之际，起码一次体验灵光乍现的感受，如同我寻思诺兰的问题之时，也经常涌现的欢欣之情。

　　这里要感谢克里斯多福．诺兰、乔纳森．诺兰（Jonathan Nolan）、艾玛．托马斯（Emma Thomas）、琳达．奥布斯特（Lynda Obst）和史蒂芬．史匹柏（Steven Spielberg）引荐我进入好莱坞，给我这个实现梦想的大好机会，让我能把科学之美、诱人的魅力与强大威力的信息转达给下一代。

评分☆☆☆☆☆

《星际效应》这部电影，无疑是一部将科学幻想与人类情感完美融合的杰作。从物理学的角度来看，电影中对黑洞、虫洞以及时间膨胀的描绘，虽然经过了艺术的放大，但其背后所蕴含的科学原理，足以激发人们对宇宙奥秘的好奇心。影片所呈现的宇宙景象，壮丽而又充满未知，每一次画面切换都仿佛带领观众进行了一场沉浸式的宇宙旅行。我尤其被电影中关于“超越”的概念所打动，它不仅体现在人类对空间极限的探索，更在于对生命、情感和存在的深刻反思。导演的叙事技巧十分高超，将复杂的科学理论巧妙地融入剧情，让观众在享受视觉冲击的同时，也能领略到科学的魅力。电影的配乐也为整个影片增添了史诗般的 grandeur，将宇宙的浩瀚与人物内心的挣扎烘托得淋漓尽致。

评分☆☆☆☆☆

观看了《星际效应》这部电影，我深感其在视觉效果和叙事手法上的独特之处。影片将硬核的科学概念，如相对论、黑洞、虫洞等，通过极具想象力的影像语言呈现出来，极大地拓展了普通观众对宇宙科学的认知边界。诺兰导演对于细节的把握和宏大叙事的构建能力，让这部电影不仅仅是一部科幻片，更像是一次穿越时空的哲学探索。影片中对人类情感的刻画也相当到位，在冰冷宇宙的背景下，父女情、牺牲与希望的主题显得尤为动人。每次重温，总能发现新的细节和感悟。电影中对空间和时间尺度的颠覆性处理，让我对我们所处的现实世界有了更深层次的思考。那种对未知宇宙的敬畏感，以及人类在其中渺小却又顽强的存在，都给我留下了深刻的印象。影片的结尾，更是留下了诸多解读的空间，引发了观影者持续的讨论和思考。

评分☆☆☆☆☆

《星际效应》这部电影，给我留下了难以磨灭的印象。它不仅仅是一部视觉上的盛宴，更是一次关于宇宙、人类命运和情感的深刻探讨。影片中对时间、空间以及物理定律的运用，虽然是基于科幻的设定，但其逻辑严谨性却让人惊叹。我尤其对电影中关于“第五维度”的设想感到着迷，这种超乎想象的维度概念，极大地拓展了我对宇宙可能性的认知。诺兰导演在处理宏大叙事的同时，也没有忽略人物内心的细腻刻画，父女之间的情感羁绊贯穿始终，使得冰冷的科学背景充满了人性的温暖。电影的摄影和美术设计更是达到了一个令人瞠目结舌的高度，每一次镜头切换都仿佛是一幅精美的宇宙画卷。这部电影让我意识到，科学的边界和人类想象力的边界，是可以相互激发，共同前行的。

评分☆☆☆☆☆

《星际效应》这部电影，在我脑海中留下了极为深刻的印记。它所展现的宇宙图景，既有令人惊叹的视觉奇观，又有引人深思的科学概念。影片中对时间膨胀、黑洞引力以及多维空间的描绘，虽然是基于科学理论的艺术化处理，但却有效地将这些抽象的概念具象化，让普通观众也能感受到宇宙的神秘与宏伟。我非常欣赏导演在叙事上的巧妙之处，能够将复杂艰深的科学原理，以一种引人入胜的方式呈现给观众，激发人们对科学的兴趣。同时，电影中对人类情感的刻画也十分到位，尤其是父女之间跨越时空的深情，为这部宏大的科幻史诗注入了动人的情感内核。每次回想起电影中那些壮丽的宇宙场景，以及角色们面临的艰难抉择，都会让我对人类的探索精神和情感的伟大力量肃然起敬。

评分☆☆☆☆☆

这本《星际效应》的电影，我至今还记得初次观看时的震撼。那种宏大的宇宙尺度，对人类情感的细腻描绘，还有那层出不穷的科幻概念，都深深地吸引了我。导演克里斯托弗·诺兰总是能将复杂的科学理论融入引人入胜的故事中，让观众在享受视觉盛宴的同时，也引发对未知宇宙的无限遐想。电影中对时间膨胀、黑洞引力以及虫洞穿越的视觉化呈现，虽然是艺术加工，但无疑激起了我探索这些科学概念的强烈兴趣。我很好奇，那些在银幕上闪耀的星辰大海，背后究竟隐藏着多少真实的科学原理？又有哪些是纯粹的艺术想象？电影的配乐也堪称一绝，那种低沉而磅礴的旋律，完美地烘托了宇宙的神秘与未知，每一次听到都能让我瞬间回到那个充满惊奇与感动的观影时刻。我特别喜欢电影中父女之间的情感线，它让冰冷的科学背景充满了人性的温度，也让我思考，即使在遥远的星际旅行中，我们最牵挂的，永远是人与人之间的联结。