星際效應：電影幕後的科學事實、推測與想像【2017諾貝爾物理學奬得主科普力作】 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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原文作者： Kip Thorne

圖書標籤:

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　　基普．索恩身為LIGO觀測站的創辦人之一，與同儕一起帶領全世界頂尖科學傢投入觀測重力波的工作，終於在2015年9月第一次偵測成功，至2017年1月為止共觀測到三個重力波事件，並以此成就與另兩位物理學傢共同獲得2017年諾貝爾物理學奬。

　　重力波好比「時空漣漪」，由天體的劇烈運動引起。透過分析重力波的能量和來源，人類甚至將能追溯遠至一百三十七億年前宇宙大爆炸引起的餘波，從而理解宇宙起源！

　　「這是全新且不同的發現，開啓前所未見的世界！」——瑞典皇傢科學院
　　「本世紀最重大的科學發現，比發現上帝粒子更偉大！」——格拉斯哥重力波研究中心主任 Jim Hough

　　◎世界頂尖物理學傢寫給大傢的天文學通識課！
　　◎電影幕後，科學傢的「裏」設定大公開！
　　◎星際效應導演剋裏斯多福．諾蘭專序推薦

　　從太空船的航速，到看似簡單順暢的降落行星之舉，
　　從教授寫滿方程式的黑闆，到毫不起眼的文件資料，
　　其實無處不經過科學傢之手，無一不經過精密計算，
　　完全符閤科學精神與理論！
　　沒看過本書，彆說你懂《星際效應》的成就！

　　《星際效應》導演──剋裏斯多福．諾蘭：
　　本書繽紛展現瞭基普生氣蓬勃的想像力，以及他想提高科學親和性的不懈努力，讓我們這群不具備他那般高強智慧或淵博學識的普通人，也都能親近科學。
　　
　　《星際效應》科學顧問──基普．索恩：
　　電影一開始就根植於現實科學：位於人類知識的最前端，或稍微超前一些的科學……這是部從導演、編劇到製片，所有人都尊重科學的電影，而且整個劇情徹頭徹尾從科學擷取靈感，將之編織融入電影的素材中……帶領觀眾稍事領會物理定律可以與可能在我們的宇宙創造齣哪些奇妙現象……

　　美國加州理工學院知名天文物理學傢基普．索恩 ╳ 好萊塢大導演剋裏斯多福．諾蘭
　　動員眾多科學傢+好萊塢頂尖電影人，打造世上第一部忠實呈現宇宙間各種天體現象的電影
　　從校園到會議室，從網路到小酒館，掀起全世界前所未有的物理學討論熱潮
　　
　　在《星際效應》之前，這些隻是天文物理宅鑽研的專有名詞：
　　重力導緻的時空與時間扭麯效應；黑洞的吸積盤、奇異點、事件視界、
　　重力透鏡、潮汐重力、重力波、重力彈弓；超弦理論與其他超空間推論……
　　
　　在《星際效應》之後，全世界都在問：
　　蟲洞竟然不是洞，而是呈一個球體？
　　為什麼黑洞不黑，上下圍繞著一圈「光環」？
　　米勒的星球如此靠近「巨人」黑洞，為什麼不會被它吞噬？
　　「巨人」的潮汐重力如何能在米勒的星球上激起四韆公尺的巨浪？
　　在米勒的星球上「一小時等於地球上七年」，是怎麼成立的？
　　超立方體如何傳送三次元的庫柏穿越五次元的「體」（bulk）？
　　為什麼庫柏撥動牆上那一堆細綫，就可以傳遞重力波去影響指針動作？
　　
　　●最簡明清晰的時間與空間理論入門讀本
　　本書中，原本艱澀的天文物理知識，在索恩以淺白易懂的文字下依著電影劇情的推展娓娓道來，一一破解劇中所有設定之謎，還為讀者就內容的真實性將書中的科學知識大緻分為三種：嚴謹科學、有根據的推測、想像臆測，並在各章節前標示齣該章或該節的內容屬於何者，使本書成為最簡明清晰的太空科學入門讀本！
　　
　　●科學理論與電影工藝完美結閤
　　索恩是當今世上研究重力、宇宙學、廣義相對論的權威，為《星際效應》架構科學基礎，也在本書中竭力以最鮮明的手法生動解釋電影中涉及的科學，並揭露所有相關人士如何經過多少努力，使科學理論與電影工藝完美結閤，令事實的呈現比虛構與幻想更令人覺得離奇與驚艷。

名人推薦

　　◎中央研究院天文及天文物理研究所研究副技師、《科學月刊》總編輯曾耀寰◎審訂
　　◎學界聯閤推薦
　　中央研究院物理研究所
　　餘海禮研究員，李世昌研究員，王子敬研究員
　　中央研究院天文所
　　林峻哲科學傢，蔔宏毅博士後研究
　　國立中央大學天文研究所
　　黃崇源教授，陳文屏特聘教授，周翊副教授
　　國立中央大學物理係
　　蔣正偉特聘教授
　　國立清華大學天文研究所
　　江國興特聘教授
　　國立颱灣大學物理學係暨天文物理所
　　吳俊輝教授
　　國立颱灣大學物理學係
　　高湧泉教授
　　國立自然科學博物館
　　孫維新館長
　　
　　颱北藝術節藝術總監
　　耿一偉老師
　　
媒體好評推薦

　　《BBC知識國際中文版》辜雅穗總編輯
　　《PanSci泛科學》鄭國威總編輯
　　《科學人雜誌》李傢維總編輯
　　《探索頻道雜誌》陳豫弘總編輯

宇宙的邊界與人類的求索：一部關於宇宙學、時間與認知的史詩 這是一部宏大敘事下的知識探索之旅，它不著眼於銀河係間的具體航行，而是深入宇宙的基石——時間和空間本身，以及人類心智在理解這些概念時的極限與可能。本書將帶領讀者穿越理論物理學的迷宮，以一種既嚴謹又充滿哲思的筆觸，解構我們所處的時空結構，並追溯人類對“時間”這一維度最古老的睏惑。 第一部分：時空織錦的解構 本書的開篇，旨在為讀者構建一個堅實的理論基礎，理解我們習以為常的“日常”如何被現代物理學顛覆。我們不再僅僅討論遙遠恒星的命運，而是迴溯到宇宙的黎明，探討時空起源的極限條件。 我們首先聚焦於愛因斯坦的廣義相對論，但視角並非停留在黑洞的事件視界，而是深入到引力場方程的幾何本質。書中將詳細闡釋，引力並非一種“力”，而是時空彎麯的體現。我們將探討如何用微分幾何的語言來描述宇宙的宏觀結構，理解宇宙膨脹的數學必然性。重點在於，我們將剖析那些導緻理論崩潰的奇點——無論是大爆炸的初始奇點，還是黑洞的中心奇點——它們標誌著現有物理學描述的終結，迫使我們尋求更深層次的理論。 緊接著，我們會深入探討量子場論與時空結構的交匯點。宇宙的最小尺度，普朗剋尺度，是一個充滿不確定性的領域。書中將介紹圈量子引力（Loop Quantum Gravity）和弦理論（String Theory）等前沿嘗試，它們試圖將引力與量子力學統一起來。這些理論如何重新定義瞭“空間”和“時間”的連續性？它們是否暗示瞭時間並非一個連續的參數，而是在極小尺度上被“量化”的？我們將詳盡分析這些理論框架如何處理時間箭頭問題，以及它們對“空間”是否是基本實在的深刻質疑。 第二部分：時間的箭與認知的睏境 時間，是我們最真切的體驗，卻也是物理學中最令人睏惑的概念之一。本書將花費大量篇幅，探討時間之箭（Arrow of Time）的物理學本質，而這與熱力學密切相關。 我們將從熱力學第二定律——熵增原理齣發，解釋為什麼時間似乎隻有一個方嚮：從有序到無序。然而，我們深知，微觀物理定律（如牛頓定律或薛定諤方程）在時間反演下幾乎是對稱的。這種宏觀與微觀的不對稱性是如何産生的？書中將探討波函數塌縮的本質，以及信息論在定義時間方嚮中的潛在角色。 此外，本書還將探討認知科學與時間感知的交叉領域。我們的“現在”究竟意味著什麼？我們的大腦是如何建構過去和未來的敘事的？書中將引入心理時間感的概念，對比物理學上的時間流逝與人類主觀體驗的巨大差異。我們還會審視那些挑戰我們直覺的現象，比如時間膨脹（Time Dilation）——速度和引力如何使得不同觀察者的“現在”變得相對且不同步。 第三部分：可能的宇宙與存在的邊界 在堅實的物理學基礎上，本書將轉嚮更為推測性的領域，但這些推測並非空中樓閣，而是基於現有理論框架的邏輯延伸。我們將探討多重宇宙（Multiverse）的幾種主要模型。 我們將詳細解析永恒暴脹理論（Eternal Inflation）如何自然地導緻瞭不同“泡泡宇宙”的産生，每個宇宙可能擁有不同的物理常數。讀者將瞭解到，如果這些理論是正確的，那麼我們宇宙中那些“恰到好處”的常數（如精細結構常數）就不僅僅是幸運，而是概率的必然。 另一個核心議題是時間旅行的理論可行性。我們將嚴謹地分析蟲洞（Wormholes）作為潛在時間機器的數學條件，包括它們需要滿足的奇異物質（負能量密度）的要求。同時，我們將深入探討因果關係保護猜想（Chronology Protection Conjecture），即自然法則是否會阻止悖論的齣現。這不是科幻的想象，而是對數學結構內在一緻性的深刻探究。 第四部分：信息、熵與宇宙的終局 最後，本書將把視角聚焦於信息與熵在宇宙中的終極角色。信息論，作為衡量不確定性的工具，如何與熱力學熵相聯係？我們將討論黑洞信息悖論——信息是否真的可以被銷毀？如果是，這對量子力學的基本原則意味著什麼？ 我們將探討宇宙的終極命運。是熱寂（Heat Death），一個充滿均勻、無差彆的狀態？還是大撕裂（Big Rip），當暗能量的斥力變得過於強大時，時空結構本身被撕碎？或是某種尚未被預測的收縮或循環？這些終極的推演，都基於我們對能量、物質和時空幾何的當前理解。 全書旨在構建一種跨越學科的視野：從普朗剋尺度上的時空量子化，到宇宙尺度的命運，再到人類心智如何認知這永恒的流動。它是一部關於我們所處現實的極限測試，一部關於物理學如何不斷拓展我們想象力的史詩。它不提供簡單的答案，而是呈現瞭知識前沿最引人入勝的挑戰與美麗。

作者簡介

基普．索恩(Kip Thorne)

　　美國理論物理學傢，加州理工學院費曼理論物理學講座教席暨名譽教授，電影《星際效應》科學顧問暨執行製作人。

　　主要研究領域為重力物理和天文物理學。許多活躍於相關領域的新一代科學傢都曾經過他的培養和訓練。索恩和物理學傢史蒂芬．霍金，以及美國天文學傢暨科幻小說作傢卡爾．薩根（Carl Edward Sagan，電影《接觸未來》［Contact）原著作者）保持長期的好友和同事關係，是當今研究廣義相對論下的天文物理學領域之領導者。

　　其他著作：
　　˙《時空的未來》（The Future of Spacetime）｜協同作者：史蒂芬．霍金（Stephen W. Hawking）、伊戈爾．諾維科夫（Igor Novikov）、提摩太．費裏斯（Timothy Ferris）、艾倫．萊特曼（Alan Lightman）和理查．普萊斯（Richard H. Price）
　　˙《黑洞與時間彎麯：愛因斯坦的幽靈》（Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy）
　　˙《黑洞：薄膜範式》（Black Holes: The Membrane Paradigm）｜協同作者：理查．普萊斯和道格拉斯．麥剋唐納（Douglas A. MacDonald）
　　˙《重力論》（Gravitation）｜協同作者：查爾斯．麥思納（Charles W. Misner）和約翰．惠勒（John Archibald Wheeler）
　　˙《重力理論和重力塌縮》（Gravitation Theory and Gravitational Collapse）｜協同作者：B. 哈裏森（B. Kent Harrison）、約翰．惠勒（John Wheeler）、Masami Wakano

譯者簡介

蔡承誌

　　第七屆吳大猷科普著作奬「翻譯類」金簽奬。

　　國立政治大學心理學碩士，全職科普類書譯者。一九九四年起業餘投入翻譯，一九九九年轉任全職迄今，纍計作品齣版者近七十本。譯作《給未來總統的物理課》（漫遊者齣版）榮獲第七屆吳大猷科普書翻譯金簽奬。

　　相關作品包括《好奇號帶你上火星》、《無中生有的宇宙》、《時空旅行的夢想傢：史蒂芬．霍金》、《一本就通：宇宙史》、《無限大的祕密》、《如何幫地球量體重》、《約翰．惠勒自傳》、《穿梭超時空》、《緻命伊波拉：它藏在哪裏？下一次大爆發會在何時？我們能遏止它嗎？》等。

序言──剋裏斯多福．諾蘭（Christopher Nolan）
緒論──基普．索恩（Kip Thorne）

1. 一個科學傢在好萊塢：《星際效應》的創生

■ I. 基本原理
2. 簡單認識我們的宇宙
3. 主宰宇宙的定律
4. 翹麯時間、翹麯空間和潮汐重力
5. 黑洞

■ II. 巨人
6. 巨人的解剖構造
7. 重力彈弓效應
8. 塑造「巨人」的影像
9. 圓盤和噴流
10. 第一批演化基礎建材的意外事故

■ III. 地球上的災難
11. 枯萎病
12. 我需要氧氣
13. 星際旅行

■ IV. 蟲洞
14. 蟲洞
15. 勾勒《星際效應》片中蟲洞的模樣
16. 發現蟲洞：重力波

■ V. 探勘「巨人」黑洞的環境
17 米勒的星球
18. 「巨人」的振動
19. 曼恩的星球
20. 永續號

■ VI. 極限物理學
21. 第四和第五次元
22. 「體」生物
23. 重力牢籠
24. 重力異常
25. 布蘭德教授的方程式
26. 奇異點和量子重力

■ VII. 劇情高潮
27. 火山環
28. 墜入「巨人」黑洞
29. 超立方體
30. 傳訊給過去
31. 殖民區升空離地

序言

　　參與《星際效應》製作的最大樂趣之一就是結識基普．索恩。從我們第一次交談，我就明白看齣他對科學有股深具感染力的熱情，還有他有多不願意勉強提齣不成熟的見解。不論我就故事情節拋給他哪種挑戰，他總是四平八穩，慎重考量，還有最重要的是，秉持科學態度來因應處理。他費心指引我堅守閤理正軌，當我不肯言聽計從輕信所述，他始終沒有錶現絲毫不耐。（不過，有次我拋齣一項難題，請他在兩週之內解決他不得超過光速的禁律，當時好像曾引來微微一聲嘆息）

　　他認為自己並不是扮演科學警察角色，而是劇情敘事協同創作人──在我寫劇本作繭自縛之時，幫我遍覽科學期刊和學術論文，想法子幫忙解套。基普教導我科學的關鍵特性──麵對大自然意外事例心懷謙遜。這種態度讓他得以欣賞臆測小說提齣的種種可能性，從另一個角度入手探究悖論和不可知──講故事的角度。本書繽紛展現基普生氣蓬勃的想像力，鋪陳他如何緻力不懈提高科學親和性，讓我們不具備他那般高強智慧或淵博學識的普通人，也都能夠親近科學。他希望民眾能理解我們這處宇宙的狂亂真理，並對這些真相湧現興奮激情。本書結構是要讓讀者深入探究，讓科學性嚮高者能見其深，低的人也不會一無所獲，所有人都能體驗到箇中樂趣，分享我努力追隨基普靈敏心智時的歡欣感受。


緒論

　　我投入科學傢生涯已經延續半個世紀瞭。從事這行（大半時間）充滿歡欣樂趣，也讓我對我們這個世界和這處宇宙，養成瞭一種強有力的觀察視角。

　　我在小時候還有隨後在青少年時期，幸濛好些人士的著述啓發，纔立誌當個科學傢，包括以薩．艾西莫夫（Isaac Asimov）、羅勃特．海萊茵（Robert Heinlein）以及其他作傢的科幻著述，還有艾西莫夫和物理學傢喬治．伽莫夫（George Gamow）的科普類書。我深受那些人士的恩澤，也渴盼能把他們的理念轉達給下一代來迴報前輩；我的做法就是一體看待年輕人以及成人，引領他們進入科學的世界，涉足現實的科學；我還為非科學傢解釋科學的運作方式，闡明科學為我們每個人，為人類的文明，以及為整個人類族群帶來瞭何等強大的威力。

　　剋裏斯多福．諾蘭的《星際效應》電影就是落實那項心願的理想信使。從《星際效應》孕育之初就投入參與是我莫大的福氣（而且那是運氣使然）。我協助諾蘭和其他人把現實科學編織納入電影的素材。

　　《星際效應》的科學原理，大半都位於人類知識的最前緣或者稍微先進一些。這點為影片更增神祕色彩，也讓我有機會闡釋區辨嚴謹科學（firm science）、有根據的推論（educated guess），以及想像臆測（speculation）的相異之處。這讓我能描述科學傢如何檢驗起初隻是種想像臆測的概念，證明理念不成立，或者把它們轉變為有根據的推論或嚴謹科學。

　　這方麵我有兩種做法：首先，我解釋目前對電影中所見現象（黑洞、蟲洞、奇異點、第五次元等）的相關認識，同時也說明我們是如何學到這些知識，以及我們期望如何掌握未知。第二，我秉持科學傢的視角，就我們在《星際效應》片中所見景象加以詮釋，這就很像藝術評論傢或一般民眾針對一幅畢卡索畫作所做詮釋。

　　我的詮釋通常都針對片中情景來鋪陳，描繪我心中設想其幕後的可能發展：「巨人」（Gargantua）黑洞的物理學，黑洞的奇異點、視界和可見外觀；巨人的潮汐重力如何在米勒的星球上激起四韆尺水波浪濤；具有四個空間次元的超立方體如何傳送三次元的庫柏穿越五次元的「體」……

　　我的詮釋有時是從《星際效應》劇情外推産生，超齣在電影所見內容；舉例來說，布蘭德教授如何早在電影開始之前就憑藉重力波發現瞭蟲洞，那股重力波是從巨人附近一顆中子星發齣，穿過蟲洞纔傳抵地球。

　　當然瞭，這些都是我自己的詮釋，而且都沒有獲得諾蘭的認可，就好比藝術評論界的任何詮釋也從來不曾獲得畢卡索的認可。這些詮釋是我用來描述某種奇妙科學的工具。本書或有部份段落顯得艱澀，但這正是現實科學的本色。科學的要件是思想。有時必須有深刻的思想。不過思索也會有迴報。你可以直接跳過艱澀的部份，也可以費勁設法讀懂。倘若你絞盡腦汁卻徒勞無功，那麼錯在於我，不在於你，我嚮你道歉。

　　我希望各位起碼都有一次在夜深人靜，半睡半醒之間，心中苦思我所寫的某段內容，就像我也在夜晚苦思諾蘭為瞭完善劇本拋給我的諸般問題。我也特彆期望各位在夜深人靜，思前忖後之際，起碼一次體驗靈光乍現的感受，如同我尋思諾蘭的問題之時，也經常湧現的歡欣之情。

　　這裏要感謝剋裏斯多福．諾蘭、喬納森．諾蘭（Jonathan Nolan）、艾瑪．托馬斯（Emma Thomas）、琳達．奧布斯特（Lynda Obst）和史蒂芬．史匹柏（Steven Spielberg）引薦我進入好萊塢，給我這個實現夢想的大好機會，讓我能把科學之美、誘人的魅力與強大威力的信息轉達給下一代。

评分☆☆☆☆☆

這本《星際效應》的電影，我至今還記得初次觀看時的震撼。那種宏大的宇宙尺度，對人類情感的細膩描繪，還有那層齣不窮的科幻概念，都深深地吸引瞭我。導演剋裏斯托弗·諾蘭總是能將復雜的科學理論融入引人入勝的故事中，讓觀眾在享受視覺盛宴的同時，也引發對未知宇宙的無限遐想。電影中對時間膨脹、黑洞引力以及蟲洞穿越的視覺化呈現，雖然是藝術加工，但無疑激起瞭我探索這些科學概念的強烈興趣。我很好奇，那些在銀幕上閃耀的星辰大海，背後究竟隱藏著多少真實的科學原理？又有哪些是純粹的藝術想象？電影的配樂也堪稱一絕，那種低沉而磅礴的鏇律，完美地烘托瞭宇宙的神秘與未知，每一次聽到都能讓我瞬間迴到那個充滿驚奇與感動的觀影時刻。我特彆喜歡電影中父女之間的情感綫，它讓冰冷的科學背景充滿瞭人性的溫度，也讓我思考，即使在遙遠的星際旅行中，我們最牽掛的，永遠是人與人之間的聯結。

评分☆☆☆☆☆

《星際效應》這部電影，無疑是一部將科學幻想與人類情感完美融閤的傑作。從物理學的角度來看，電影中對黑洞、蟲洞以及時間膨脹的描繪，雖然經過瞭藝術的放大，但其背後所蘊含的科學原理，足以激發人們對宇宙奧秘的好奇心。影片所呈現的宇宙景象，壯麗而又充滿未知，每一次畫麵切換都仿佛帶領觀眾進行瞭一場沉浸式的宇宙旅行。我尤其被電影中關於“超越”的概念所打動，它不僅體現在人類對空間極限的探索，更在於對生命、情感和存在的深刻反思。導演的敘事技巧十分高超，將復雜的科學理論巧妙地融入劇情，讓觀眾在享受視覺衝擊的同時，也能領略到科學的魅力。電影的配樂也為整個影片增添瞭史詩般的 grandeur，將宇宙的浩瀚與人物內心的掙紮烘托得淋灕盡緻。

评分☆☆☆☆☆

《星際效應》這部電影，給我留下瞭難以磨滅的印象。它不僅僅是一部視覺上的盛宴，更是一次關於宇宙、人類命運和情感的深刻探討。影片中對時間、空間以及物理定律的運用，雖然是基於科幻的設定，但其邏輯嚴謹性卻讓人驚嘆。我尤其對電影中關於“第五維度”的設想感到著迷，這種超乎想象的維度概念，極大地拓展瞭我對宇宙可能性的認知。諾蘭導演在處理宏大敘事的同時，也沒有忽略人物內心的細膩刻畫，父女之間的情感羈絆貫穿始終，使得冰冷的科學背景充滿瞭人性的溫暖。電影的攝影和美術設計更是達到瞭一個令人瞠目結舌的高度，每一次鏡頭切換都仿佛是一幅精美的宇宙畫捲。這部電影讓我意識到，科學的邊界和人類想象力的邊界，是可以相互激發，共同前行的。

评分☆☆☆☆☆

觀看瞭《星際效應》這部電影，我深感其在視覺效果和敘事手法上的獨特之處。影片將硬核的科學概念，如相對論、黑洞、蟲洞等，通過極具想象力的影像語言呈現齣來，極大地拓展瞭普通觀眾對宇宙科學的認知邊界。諾蘭導演對於細節的把握和宏大敘事的構建能力，讓這部電影不僅僅是一部科幻片，更像是一次穿越時空的哲學探索。影片中對人類情感的刻畫也相當到位，在冰冷宇宙的背景下，父女情、犧牲與希望的主題顯得尤為動人。每次重溫，總能發現新的細節和感悟。電影中對空間和時間尺度的顛覆性處理，讓我對我們所處的現實世界有瞭更深層次的思考。那種對未知宇宙的敬畏感，以及人類在其中渺小卻又頑強的存在，都給我留下瞭深刻的印象。影片的結尾，更是留下瞭諸多解讀的空間，引發瞭觀影者持續的討論和思考。

评分☆☆☆☆☆

《星際效應》這部電影，在我腦海中留下瞭極為深刻的印記。它所展現的宇宙圖景，既有令人驚嘆的視覺奇觀，又有引人深思的科學概念。影片中對時間膨脹、黑洞引力以及多維空間的描繪，雖然是基於科學理論的藝術化處理，但卻有效地將這些抽象的概念具象化，讓普通觀眾也能感受到宇宙的神秘與宏偉。我非常欣賞導演在敘事上的巧妙之處，能夠將復雜艱深的科學原理，以一種引人入勝的方式呈現給觀眾，激發人們對科學的興趣。同時，電影中對人類情感的刻畫也十分到位，尤其是父女之間跨越時空的深情，為這部宏大的科幻史詩注入瞭動人的情感內核。每次迴想起電影中那些壯麗的宇宙場景，以及角色們麵臨的艱難抉擇，都會讓我對人類的探索精神和情感的偉大力量肅然起敬。