《星际穿越》 高爽解读
《星际穿越》| 高爽解读
关于作者
本书作者基普·索恩是美国天文学家、物理学家，普林斯顿大学博士，现任加州理工学院教授，美国引力波探测计划LIGO的联合创始人，引力波的发现者，2017年诺贝尔物理学奖得主。他的主要研究领域为天体物理学中的引力问题和黑洞，他还是好莱坞电影《星际穿越》唯一的科学顾问。
关于本书
本书是作者对同名电影的科普解读，介绍黑洞、虫洞、时空穿越和引力等概念的天文学科普作品。
核心内容
人类有很大可能面临文明衰退的危机，面对环境恶化的地球，向外移民是保存人类文明的一种思路。但是受限于宇宙的尺度，唯一可行的旅行办法是穿越虫洞，但需要深刻理解虫洞、黑洞、时空穿越和引力等天文学问题的本质，才能真正实现有价值的穿越，拯救人类文明。
你好，欢迎每天听本书！我是高爽，德国海德堡大学天文学博士，曾经在国家天文台和北京师范大学从事天文学研究和教学工作。我在得到App开设了《天文学通识》课程，为你系统讲述天文学的思维方式。今天，我要为你解读一本天文学科普书，叫《星际穿越》，这本书也是《天文学通识》课程的参考书目之一。
2014年，诺兰导演的好莱坞电影《星际穿越》，在全世界火爆上映。电影用硬核的科学知识，建造了一个未来的科幻世界，一时间，全世界的观众津津乐道于黑洞、虫洞、时空穿越这样的天体物理学话题。电影团队首次呈现了黑洞的完整高清视觉效果，最终让这部电影获得了第84届奥斯卡金像奖。但是，电影中的科学知识非常密集，如果没有专业的讲解，普通观众可能很难全部理解电影中的内容。所以，这部与电影同名的科普书应运而生，它对黑洞、虫洞、引力场、磁场、电场等宇宙现象，作出了精彩的解释。
如果你没看过电影也不要紧，主要情节几句话就说完了：因为植物中蔓延的枯萎病，造成了粮食和人口减少，人类文明面临严重衰退，科学家试图通过虫洞进行星际旅行，找到地球之外的另一个适合人类居住的星球，拯救人类文明。但在行动过程中遭遇黑洞，耽搁了时间，造成了牺牲，因为黑洞的引力无法克服。但最终，主人公们想到了解决方案，完成了人类的自我救赎。
其实，星际穿越不只存在于科幻作品的想象里，在现实中，人类也在不断为实现星际穿越而努力。比如，2021年5月，中国的“天问一号”探测器成功在火星着陆；2021年7月，71岁的英国亿万富翁、维珍银河创始人理查德·布兰森，乘坐“团结号”太空船试飞成功，成为进入太空边缘的私人航天第一人；还有SpaceX公司的创始人埃隆·马斯克提出，未来要发射1000艘飞船，运送10万人抵达火星，他说，“人类需要离开地球，从而确保人类能够在灾难到来时生存下来。”
可以说，星际穿越一直是人类最浪漫的梦想，要实现这个梦想，需要应对的一个重要挑战就是黑洞。黑洞是宇宙中最神秘的现象之一，黑洞的引力十分强大，任何物质进入黑洞的特定范围后，都无法逃脱，就连运动速度最快的光，也逃不出来。掉进黑洞，就相当于掉进了一个黑盒子，有进无出，只能单向通行，人类进入黑洞可能意味着被毁灭。我们在黑洞外面，无法获得黑洞内部发射出来的任何信息。所以，我们对黑洞内部的情形一无所知。
在黑洞的基础上，天文学家又提出，宇宙中存在一种可以用于星际穿越的虫洞。虫洞也可以吸引周围的物质，但与黑洞不同的是，虫洞比较安全。从理论上讲，物质进入虫洞，可以穿越一段不长的隧道，然后来到隧道的另一端。如果没有虫洞，这将是一段极为漫长的跨越宇宙的旅程，虫洞可以大大缩短旅行的距离和时间，但天文学至今还无法确定黑洞和虫洞的内部细节。这些天文学中最引人入胜的问题，目前还缺少最关键的答案。
如果人类最终要通过虫洞实现星际穿越，也就是在比较短的时间内，让大量人口旅行到非常遥远的地方，那么，我们还需要回答和解决哪些问题呢？这正是这本书想要解答的。
能够解答这样问题的肯定不是一般人，这本书的作者基普·索恩是美国著名天文学家和物理学家，是2017年的诺贝尔物理学奖得主，现任加州理工学院教授，他是引力波的发现者，也是美国引力波探测计划LIGO的联合创始人，主要研究领域为天体物理学中的黑洞和引力问题。除此之外，他还是电影《星际穿越》唯一的科学指导。
接下来，我将分三个部分为你详细解读这本书。
首先，我们谈谈，人类是否有可能遭遇文明的衰退？农作物因为枯萎病大量死亡，人类面临世界末日，这些猜想有没有科学依据？
接着，我们谈谈，宇宙中是否真的有黑洞和虫洞？引力是否可以跨越时间维度作为传递信息的工具？当人类面对生存危机，天文学真的能通过星际穿越的办法拯救人类吗？
最后，我们谈谈，这些硬核的科学猜测，对我们今天的生活有什么现实意义？
好，咱们先来说说，地球上的人类是否真的会遭遇文明的衰退？农作物因为枯萎病大量死亡，人类面临世界末日，这些猜想有没有科学依据？
你可能觉得，人类社会正处在高速发展阶段，一切都生机勃勃。虽然，在一些地区出现了环境危机、能源危机和粮食危机，但不至于影响到全球。从世界范围来看，人口、粮食产量、能源供给都在持续增长，人类第一次过上了大部分人都不愁吃穿的好日子，世界末日似乎距离我们很遥远。
但是，有学者认为，世界末日不是危言耸听。现在大多数人并不自己种粮食，所谓城市化的现代生活，本质上是一种高度分化的生活。我们可以不必亲自种植或养殖，很容易就能吃到几千里外生产出来的粮食、蔬菜和肉类。
我们大多数人的生活，依赖着一个遍及全世界的种植、养殖和分配系统，其中不仅有经济领域的分配，也包括水资源的自然分配。举个例子来说，如果美国内华达山区连续几年不下雪，那么洛杉矶的饮用水就会枯竭，1000万人口就必须迁徙，加利福尼亚州的农业生产就会直线下降。一旦农业分配系统遭受压力甚至破坏，人口就会大量减少，就必须有更多人退回到农业社会。因为只有那样，粮食生产和分配的问题，才能得到缓解。
除了自然资源的分配问题，还有一个潜在的危机是致病菌。实际上，在人类历史上，人类和病菌之间的战争，从来没有停止过。现代人类已经建立起一整套复杂的免疫系统和医疗系统，来对抗致病菌的攻击，但是，致病菌也在不断进化，而且，似乎我们总是比它们落后半步。
如果在某个关键节点上，致病菌的进化速度，远远超过我们的免疫系统和医疗系统的进化速度，那将是一场可怕的灾难。比如，某种我们常见的不致命的病毒，可能会因为某些突发原因产生变异，变成致命又容易传播的病毒。或者，某些动植物体内隐藏的病毒，因为某些突发原因进入人类社会，造成难以彻底治愈的严重疾病。
比如，书里提到，紫外线透过大气层的臭氧空洞，可能使繁盛的海藻发生突变，也就是产生新的病原体。这些病原体可能会先“扫荡”海洋里的生物，然后跳到陆地上“扫荡”庄稼。2019年以来，波及全世界的新冠肺炎疫情，也是致病菌对人类的一次大冲击。
整个人类面对巨大的自然灾害，导致文明衰退，这是科幻作品中常见的情景，同时也是科学家普遍担心的现实危机，书中列举了很多潜在的危机。那么，电影《星际穿越》中所描述的让粮食严重减产的枯萎病，在现实中真的存在吗？如果存在，它会危及人类的安全吗？
作者通过和一些科学家对谈，向我们展示了这样的事实：枯萎病是对大量植物疾病的泛称，北美洲50%的食用植物，都已经被病原体毁掉了，这个比例在非洲更高。曾经在美国东海岸随处可见的椰子树，现在已经完全消失，凶手就是枯萎病。18世纪人们最喜爱的香蕉品种，如今也已经被枯萎病灭绝，它的替代品种现在也遭受枯萎病的威胁。
目前的情况是，特定类型的枯萎病只攻击特定的植物种类，但致死率高达99%，也就是说，虽然它的攻击范围不大，但危险性很高。另有一类泛型的枯萎病，可以攻击大部分植物品种，但是致死率不高，也就是攻击范围大，但不算太危险。正是存在危险性和攻击范围之间的矛盾，让我们今天的农业还可以幸存。那么，是否存在一种攻击范围大又极度危险的枯萎病呢？这种情况，在地球历史的早期出现过。那时候，海洋中突然出现了大量蓝藻，制造了大量氧气，整个地球的大气成分剧烈变化，这一效果杀死了几乎所有的其他生物。
其实，枯萎病不需要打击全部植物，只需要打击植物中很小的一个类别，也就是禾本科植物，就足够对人类文明造成巨大冲击。因为禾本科植物是我们农业的主体，包括水稻、玉米、高粱、大麦和小麦在内的世界主要粮食作物，都是禾本科植物。而且，为我们提供肉食的大部分动物，也以禾本科植物为食。
可以想象，如果某种致死率高但打击范围不大的枯萎病，突然增加了打击范围，会产生怎样可怕的后果。这种情况有可能发生吗？完全有可能。比如，日本有一种甲壳虫能吃200多种植物，它们携带的病原体能感染很多物种，如果这些病原体为了适应环境继续进化，变得越来越适合攻击这些植物，它就是变得更加致命。
这样的情况未来很有可能出现，这不是少数人的危言耸听，而是科学家们正在研究的前沿课题。
既然地球上的生命，包括人类，都处在巨大的潜在危机中，我们今天高度繁荣的社会，是建立在非常脆弱的生态系统和气候系统之上，那么，宇宙的基本设定是什么？宇宙能给人类提供有效的解决方案，实现星际穿越逃离地球吗？要回答这个问题，我们必须知道三项硬核的天文学概念，分别是黑洞、虫洞和时空穿越。
咱们先说说黑洞，黑洞结合最简单的科学和最复杂的科学于一身。为什么这么说呢？
因为黑洞本身不发光，进入黑洞的光，也无法挣脱黑洞的引力跑出来，所以黑洞从外面看起来是一个特别简单的天体。简单到什么程度呢？只要知道它的质量和自转的速度，就可以根据爱因斯坦提出的广义相对论，计算出黑洞的其他性质，比如黑洞的大小尺寸、引力的强弱程度、因为旋转造成的形状不对称程度等等细节。
也就是说，黑洞的大部分参数都是相互联系的，知道其中的几个，就能知道其余的，这些参数的自由度很有限。一个黑洞最多只有三个自由参数，分别是质量的大小、自转的快慢和带电的多少。这个规律被天文学家戏称为黑洞的“三毛定理”，意思是说，黑洞就像是一个人光秃秃的头上只长了三根头发。
但是，换个角度来看，黑洞的内部核心又完全神秘未知。黑洞的全部质量都集中在中心的一个点上，这个点叫奇（qí）点，“奇怪”的“奇”。在这个点周围的一定范围内，任何物质都跑不出去，这个范围的边界叫视界。视界之内的任何信息也无法向外传递，所以视界之内的状态，对我们来说完全未知。
黑洞不仅仅引力大，更可怕的是，在黑洞附近，超强的引力会导致时间变慢。如果有宇航员掉入黑洞，从外面的视角来看，宇航员会逐渐减速，最终永远停滞在黑洞的视界处。在黑洞附近的活动全部都被放慢了时间。比如说，作者提到它设想的一个黑洞，名叫卡冈都亚，在它的附近经历1个小时，地球上就已经过去了7年。强大的引力造成时间变慢，这是爱因斯坦在广义相对论里提出的理论，不过我们只有在黑洞附近，才能真切地找到明显的案例。
比黑洞更神奇的是虫洞。理论上，遥远的空间旅行无法实现，但是某种强大的力量可以让空间折叠弯曲，把两个原本相隔很远的点连接在一起，它们之间靠一条特殊的管道连通，这就是虫洞。只不过，洞的这个说法虽然直观，但并不是真实的样子，而是更高维空间的物理过程在三维空间的投影效果，在三维空间中的虫洞更像是一个圆球。
现代天体物理学的研究认为，虫洞不是永恒静止不变的，虫洞会诞生、膨胀、连通和死亡。所以，电影《星际穿越》中，有神秘力量在我们的太阳系创造出一个虫洞，在理论上是存在可能的。只不过，虫洞的诞生、膨胀、连通再到断开也就是死亡的过程非常迅速，任何想要穿过虫洞的人或物，都来不及在这么短的时间内通过。如果在穿越途中虫洞关闭，那么，结果是企图穿越的任何东西都会被毁灭。
那么，穿越虫洞的理想是不是不可能了呢？也不是。作者的导师惠勒认为，危机就是极好的导师，我们可以从中学到更深刻的物理学。作者本人就曾经研究过可穿越虫洞，也就是保持长时间稳定开启的虫洞。他们的课题小组发现，要想让虫洞保持稳定开放，就必须向虫洞内加入具有负能量的物质，我们可以叫它“负物质”或者奇异物质。这种特殊的物质真的存在吗？答案是肯定的，1985年，物理学家已经在实验室里制造出了极少量的奇异物质。接下来的问题就是，我们如何找到一个虫洞，并且制造足够多的奇异物质加入虫洞？这些正是作者近些年研究的问题。
既然虫洞在理论上可行，人类未来的科技水平，也有可能制造出丰富的奇异物质保持虫洞稳定，那么，星际穿越是不是看起来很有可能实现？作者认为，依靠虫洞可能是宇宙中高等级文明唯一可行的旅行方式，这种方式不仅能大大扩展我们的探索空间，更重要的是节约了大量时间。毕竟，时间也是一种珍贵的资源，我们必须谨慎使用。
作者告诉我们，根据现有的科学认知，任何物质都无法实现对时间的穿越，也就是回不到过去，也跳不到未来。但是，有一样东西是个例外，它可以从黑洞内部延伸出来，可以携带信息离开黑洞，还可以穿越时间，在历史、现在和未来之间任意跳转。什么样的东西有这么神奇的魔力，能反抗基本的科学规律呢？这个例外就是引力。引力可以穿越黑洞，而且，正是因为黑洞内部的引力对黑洞外部时空的影响，其他东西才无法离开黑洞。引力甚至可以穿越所有维度的空间和时间，连接过去与未来，在遥远的星系之间建立超级桥梁。
爱因斯坦也曾经感叹，人类生活中的很多困难就是源于引力。我们背着行囊负重，修建楼梯和电梯，制造巨大的机械托举货物，这些努力都是在对抗引力。引力把我们人类限制在地球上，至今只有极少数人离开地球生活过。对引力的深入探索，最终才能帮助整个人类进入太空的新世界。
说了这么多理论设想，那么，人类目前的星际航行能力究竟如何呢？
目前，人类还只能让几个人往返于地球和月亮之间，前往火星的旅途都还太过遥远，飞行器在火星安全降落的成功率不到50%，在火星的环境里定居，也还不切实际。而星际穿越不仅仅是驾驶飞船进入一个现成的虫洞这么简单，还需要在到达虫洞的另一侧之后，精确控制飞船安全降落到合适的星球上，更重要的是能在这个新的星球定居下来。
你看，就算虫洞帮咱们解决了旅行的距离和时间问题，还是有不少技术难关需要咱们自己突破。更重要的是，我们要运送的乘客不只是几位宇航员，而是全人类，以及让人类文明得以延续的各种物质资源，这在目前是难以逾越的。
举个例子，现在要将三位宇航员安全地送入距离地面400公里的国际空间站，就已经需要研发最大推力的火箭。未来，即便人类出现严重危机，世界人口锐减到只有现在的百分之一，那么，要运送的人口也有几千万，今天的航天技术还无法承受这样的负荷。有科学家为此大开脑洞，认为可以通过研究引力的本质，让地球的引力暂时减小，但这些策略目前还只停留在非常初步的理论阶段。
我们知道，要充分了解黑洞的本质，利用虫洞实现星际穿越，还有漫长的路要走，科学家是这条路上的开路先锋。那么今天，这些研究对我们的认知有什么现实影响呢？
作者讲了一个故事。1985年，天文学家卡尔·萨根，在创作一部关于星际穿越的科幻小说的时候，咨询过作者的意见。当时作者反对让人进入黑洞，因为物理学的规则告诉我们，黑洞核心的奇点，会毫不留情地撕碎进入其中的任何东西。但是，到2013年，电影《星际穿越》拍摄的时候，作者建议让主人公掉入黑洞，而且主人公可以幸存。为什么时隔28年之后作者的态度发生转变了呢？因为作者对黑洞的认识，在这28年中取得了巨大的进步。他认为，黑洞核心的奇点有可能是一个温和的奇点，温和程度足以让人类幸存。
居安思危不是一件容易的事，我们特别容易满足于当下的。这本书给我们提供了一个宇宙的视角，让我们感受到，在超大规模的时空面前，我们的系统很脆弱，我们要探索的未知很渺茫，我们要想借助外在的力量改进自身的环境，就需要更加努力地探索基础的自然规律，比如物理学和天文学规律。
你看，天文学不仅仅是认识几颗星星这么简单，了解黑洞的质量看似无用，但在最深刻的危机面前，在最终极的人类种族跃升的使命面前，天文学可能成为最重要的知识。
28年的科学进展，就让我们对黑洞这么奇怪的东西的认识有了巨大改观。我们无法想象，未来的人类对宇宙的认识，会更新到什么程度。登上月球，只是探索宇宙的一小步，但这已经让很多人不愿意相信。就像电影中反复吟诵的那首诗，“不要温和地走进那个良夜/老年应当在日暮时燃烧，咆哮/怒斥/怒斥光明的消逝。”人类需要心怀强烈的危机意识，义无反顾地去探索未来。
我们愿意相信，即便面对灭顶之灾，人类最终还是会得到拯救。只不过我们不知道，拯救人类的是未来更强大的自己，还是别的什么强大存在向我们伸出了援手。站在人类必将得救的立场上，站在未来回望现在，有助于我们发现此时此刻应该赶快去做什么。为了改善地球的环境，我们现在就可以从事很多有价值的工作，我们对待基础科学可以更有耐心，对待暂时看不到应用前景的航天技术可以多一分包容，对待科学家也可以多一分礼遇。
你可能会说，渲染人类危机，开一个穿越虫洞这么大的脑洞，真的有必要吗？难道探索宇宙奥秘，仅仅是为了应对危机时的星际逃亡吗？当然不是。作者作为天文学家，他探索宇宙和黑洞的神奇，一定不只是为了逃跑，而是对宇宙本身的运行规则充满了好奇。
天文学的发展往往会走在人类危机之前，也走在人类的现实需求之前，因为等到有了迫在眉睫的需求再做科学研究，恐怕来不及解决问题。这让我想起一个“懒蚂蚁”的故事。
科学家研究一群蚂蚁，发现大部分蚂蚁都在辛勤劳动，收集食物，开辟领地，对抗天敌等等。但有那么很少的几只蚂蚁看起来懒洋洋的，东转转，西看看，没什么事情做。科学家把这些“懒蚂蚁”从蚁群中拿走，结果发现，在其他的勤劳的蚂蚁中，又自动地分出了几只蚂蚁，扮演“懒蚂蚁”的角色。也就是说，对于生命种群来说，“懒蚂蚁”是必须要有的标配。因为勤劳的蚂蚁搬运的是眼前看得见的食物，一旦这些食物搬完了，下一步该怎么办呢？正是“懒蚂蚁”在探索眼前可见食物之外的未来，它们就像人类的天文学家。
好，这本书的核心内容我已经介绍完了，咱们再来总结一下。
我们分析了人类文明面临的几种潜在危机，以及如果出现危机，人类依靠虫洞实现星际穿越、登陆其他星球的可能性。星际穿越不仅需要克服黑洞的引力，还要找到虫洞，并制造足够多的奇异物质，此外，还需要有足够大推力的火箭和足够大空间的飞船。当然，关于星际穿越，很多理论还在假设阶段，要想真正实现，还有很漫长的道路要走。
天文学家最早在18世纪设想出关于黑洞的思维实验，但直到20世纪，黑洞才被理论充分描述，并且得出了一个数学表达方式，之后，天文学家们一直通过观测收集有关黑洞存在的证据。又过了整整100年，才通过引力波的探测真正找到黑洞，并为黑洞拍摄了周围环境的照片，实现了黑洞的可视化。现在，天文学家们推断，把黑洞、虫洞和引力的奥秘全部解开，或许可以实现星际穿越，他们正在集体出动，致力于解决人类终极命运的问题。
这不仅是科幻电影的戏剧化情节，而是人类未来大概率会面对的现实。我们有理由相信，我们对科学的热爱，最终能帮助自己改变命运。正如科幻作家刘慈欣所说，“当科学的严谨遇上真性情，令人惊叹的化学反应自然会生生不息。”我们期待，人类文明和人类对宇宙的探索，都生生不息，也期待人类的星际穿越梦想能早日实现。
好，以上就是这本书的精华内容，你可以点击音频下方的“文稿”按钮，查收我们为你准备的全文和脑图。你还可以点击红包，把这本书免费分享给你热爱天文学的朋友。恭喜你，又听完了一本书。
撰稿：高爽转述：徐惟杰脑图：刘艳导图工坊
划重点
1.黑洞的引力十分强大，任何物质进入黑洞的特定范围后，都无法逃脱，就连运动速度最快的光，也逃不出来。我们在黑洞外面，无法获得黑洞内部发射出来的任何信息。在黑洞附近，超强的引力会导致时间变慢。
2.依靠虫洞可能是宇宙中高等级文明唯一可行的旅行方式，如果没有虫洞，这将是一段极为漫长的跨越宇宙的旅程，虫洞可以大大缩短旅行的距离和时间。