星際效應：電影幕後的科學事實、推測與想像

一則基於科學事實的寓言
比科幻更離奇壯闊

所有讓你瞠目結舌的宇宙奇景，
所有推動劇情的天文物理理論，
解開劇情設計與時空旅行之謎！

◎世界頂尖物理學家寫給大家的天文學通識課！
◎電影幕後，科學家的「裡」設定大公開！
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板，到毫不起眼的文件資料，
其實無處不經過科學家之手，無一不經過精密計算，
完全符合科學精神與理論！
沒看過本書，別說你懂《星際效應》的成就！

◎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

◆

美國加州理工學院知名天文物理學家基普．索恩 ╳ 好萊塢大導演克里斯多福．諾蘭
動員眾多科學家+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，這些只是天文物理宅鑽研的專有名詞：
重力導致的時空與時間扭曲效應；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四千公尺的巨浪？
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線，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致分為三種：嚴謹科學、有根據的推測、想像臆測，並在各章節前標示出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合
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合，令事實的呈現比虛構與幻想更令人覺得離奇與驚豔。

作者：基普．索恩(Kip Thorne)

美國理論物理學家，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家都曾經過他的培養和訓練。索恩和物理學家史蒂芬．霍金，以及美國天文學家暨科幻小說作家卡爾．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．費里斯（Timothy Ferris）、艾倫．萊特曼（Alan Lightman）和理查．普萊斯（Richard H. Price）
˙《黑洞與時間彎曲：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．麥克唐納（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. 哈里森（B. Kent Harrison）、約翰．惠勒（John Wheeler）、Masami Wakano

譯者：蔡承志

第七屆吳大猷科普著作獎「翻譯類」金籤獎。
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，累計作品出版者近七十本。譯作《給未來總統的物理課》（漫遊者出版）榮獲第七屆吳大猷科普書翻譯金籤獎。

相關作品包括《好奇號帶你上火星》、《無中生有的宇宙》、《時空旅行的夢想家：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》、《致命伊波拉：它藏在哪裡？下一次大爆發會在何時？我們能遏止它嗎？》等。

◎學界聯合推薦
中央研究院物理研究所
余海禮研究員，李世昌研究員，王子敬研究員
中央研究院天文所
林峻哲科學家，卜宏毅博士後研究
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
國立中央大學物理系
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
國立臺灣大學物理學系暨天文物理所
吳俊輝教授
國立臺灣大學物理學系
高涌泉教授
國立自然科學博物館
孫維新館長

◎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》李家維總編輯
《探索頻道雜誌》陳豫弘總編輯

《星際效應》導演──克里斯多福．諾蘭：
本書繽紛展現了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出哪些奇妙現象……

■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，我就明白看出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出不成熟的見解。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。他費心指引我堅守合理正軌，當我不肯言聽計從輕信所述，他始終沒有表現絲毫不耐。（不過，有次我拋出一項難題，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──面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出的種種可能性，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，鋪陳他如何致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，讓科學性向高者能見其深，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。

──克里斯多福．諾蘭，加州洛杉磯，2014年7月29日

■緒論

我投入科學家生涯已經延續半個世紀了。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，養成了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，幸蒙好些人士的著述啟發，才立志當個科學家，包括以薩．艾西莫夫（Isaac Asimov）、羅勃特．海萊茵（Robert Heinlein）以及其他作家的科幻著述，還有艾西莫夫和物理學家喬治．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回報前輩；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；我還為非科學家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了何等強大的威力。

克里斯多福．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。這讓我能描述科學家如何檢驗起初只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。

這方面我有兩種做法：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，我秉持科學家的視角，就我們在《星際效應》片中所見景象加以詮釋，這就很像藝術評論家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四千尺水波浪濤；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》劇情外推產生，超出在電影所見內容；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了蟲洞，那股重力波是從巨人附近一顆中子星發出，穿過蟲洞才傳抵地球。
當然了，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。不過思索也會有回報。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，我向你道歉。

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了完善劇本拋給我的諸般問題。我也特別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。

這裡要感謝克里斯多福．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。

──基普．索恩，加州帕薩迪納市，2014年5月15日

序言──克里斯多福．諾蘭（Christopher Nolan）
緒論──基普．索恩（Kip Thorne）

1. 一個科學家在好萊塢：《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. 翹曲時間、翹曲空間和潮汐重力
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