星際穿越：那些匪夷所思的宇宙常識（簡體書）

本書圍繞電影《星際穿越》中難懂的宇宙現象，帶大家走進一個“詭異而瘋狂”的世界——廣義相對論、量子力學、萬有引力、日心說以及宗教與科學的激情碰撞……黑洞從何處來?蟲洞又將把我們帶向何方?速度與時間是什麼關係?多維空間究竟是什麼樣的場景?平行宇宙又是如何誕生的?這些問題，作者給予了深入淺出的解說，並由北京航空航太大學物理學博士嚴格把關。
除此之外，還有愛因斯坦、史蒂芬•霍金、薛定諤等著名學者的逸聞趣事，讓本書的內容更加富有趣味性。史蒂芬•霍金的三次“豪賭”，愛因斯坦與泰戈爾、卓別林的爭論與友誼，薛定諤的風流韻事，牛頓對煉金術的癡迷……
本書適合對宇宙科學知識感興趣的成人及中學生閱讀，是零基礎讀者的最佳科普讀物。

編輯推薦
《星際穿越：那些匪夷所思的宇宙常識》將激發普通大眾對科學的關注，並為讀者的視野和心靈開疆辟土。影響更多人對宇宙的關注，深刻理解宇宙的宏大，人類的宿命，世界的光明與陰暗，多維世界的絢麗與奇幻。

第一章宇宙裡的陷阱——吞噬一切的黑洞
在電影《星際穿越》中，主人公庫伯掉進了一個宇宙黑洞，並進入了多維空間。在他的幫助下，女兒得以解決人類星際移民的技術難題，使瀕臨滅絕的人類得到了拯救。此後，庫伯又從黑洞中逃了出來，出現在土星附近，並被已經移民到這裡的人類拯救。只不過，黑洞中的短暫停留，人類的時間已經流逝了近百年。
愛因斯坦之前的人們 /
愛因斯坦的狹義與廣義相對論 /
宇宙大碰撞——大爆炸之後到底發生了什麼? /
黑洞的前身——恒星 /
奇點規則 /
史蒂芬•霍金的三次豪賭 /
第二章乾坤大挪移——空間扭曲的蟲洞
在《星際穿越》中，庫伯和他的隊友是通過土星附近的一個蟲洞抵達黑洞附近的。如果沒有這個蟲洞，他們根本無法穿越浩瀚的宇宙。蟲洞為什麼可以讓遙遠的距離變得近在咫尺?
從黑洞到蟲洞——愛因斯坦-羅森橋 /
愛因斯坦與泰戈爾之間的談話 /
蟲洞與時間旅行 /
索恩的時間機器 /
史蒂芬•霍金與《時間簡史》 /
擺脫歷史束縛的可能性 /
第三章一小時等於七年——時間膨脹
在《星際穿越》裡，庫伯與隊友在黑洞附近的行星上僅僅待了幾個小時，而留在太空船上的同伴卻苦等了年。因為行星上的一個小時等於七年。當庫伯從黑洞中逃出來，回到人類社會的時候，時間已經過去了上百年。時間真的會扭曲嗎?
速度與時間膨脹 /
時間的指向 /
物理與政治 /
超光速旅行者 /
愛因斯坦與卓別林 /
哥德爾的旋轉宇宙 /
第四章書架背後的世界——多維空間
在電影《星際穿越》中，主人公庫伯掉進了黑洞，並進入了一個奇幻的空間，也就是五維空間。他就在女兒書房的書架背後，但是卻無法進入地球上人們所處的四維時空。這個空間的奇幻之處在於，時間是可以逆轉的。所以在五維空間內，庫伯看到了過去與女兒告別的情景。庫伯知道自己想要和家人重逢，就必須告訴女兒解開五維空間的方程式。由於能通過五維空間傳遞的只有重力，庫伯只能用灰塵的重力和手錶的指針，通過給女兒發送摩斯電碼的方式，把方程式的答案傳給女兒。
四維時空 /
五維空間 /
量子力學——不確定的微觀世界 /
海森堡的不確定性原理 /
弦理論與超弦理論 /
第五章淺水掀起滔天浪——天體引力
在《星際穿越》中，庫伯等人登上黑洞附近的行星。這顆行星被淺淺的、僅有腳背深的海水覆蓋，卻在瞬間掀起了滔天巨浪。咄咄怪事，原因究竟何在?
經典力學 /
萬有引力與蘋果 /
伽利略與比薩斜塔 /
引力的本質 /
最後的煉金術士 /
宇宙中存在著的力 /
第六章仰望璀璨星空——星辰與星系
離開地球，穿越土星附近的蟲洞，登陸黑洞周圍的行星……不管是在《星際穿越》裡，還是在我們的日常生活中，浩瀚宇宙裡的日月星辰永遠在激發我們的想像力。
太陽黑子與太陽耀斑 /
哥白尼與日心說 /
月球——比地球更古老 /
月亮：外星人的太空船? /
最有可能誕生生命的金星 /
氣體巨行星——木星 /
有生命跡象的火星 /
地球致命的威脅——小行星 /
浩瀚的銀河 /
第七章N個世界，N個我——平行宇宙
我們的世界是唯一的嗎?你是獨一無二的嗎?物理學家的解釋會讓你大吃一驚。
薛定諤的貓——多宇宙解釋 /
量子力學哥本哈根和多重世界解釋 /
宇宙破裂的結果——平行宇宙 /
宇宙中的暗物質和暗能量 /
反物質火箭 /
第八章激情碰撞——科學與靈性
在廣義相對論、量子力學這些深奧的科學理論中，人類的理性被發揮到了極限;而另一種思想力量也在嘗試對世界作出自己的解釋，那就是靈性。當兩者相遇時，註定要碰撞出激情的火花。
兩種不同的世界觀 /
關於宇宙的起源 /
關於時間問題的爭論 /
愛因斯坦眼中的科學與宗教 /

第一章
宇宙裡的陷阱——吞噬一切的黑洞
在電影《星際穿越》中，主人公庫伯掉進了一個宇宙黑洞，並進入了多維空間。在他的幫助下，女兒得以解決人類星際移民的技術難題，使瀕臨滅絕的人類得到了拯救。此後，庫伯又從黑洞中逃了出來，出現在土星附近，並被已經移民到這裡的人類拯救。只不過，黑洞中的短暫停留，人類的時間已經流逝了近百年。
愛因斯坦之前的人們
“世界從哪裡來?”這是一個爭論了千百年且永遠沒有答案的哲學問題，因為這個問題太過抽象，只要過於抽象，往往會有許多種不同的答案。儘管如此，人們依然想得到一個讓所有人都接受的答案。在這個問題中，涉及了“起源”的概念，也可以說是人類的起源。提到人類的起源，就會聯想到宇宙的起源。關於宇宙的起源與歸宿，人們有許多種說法。但是，這些說法都被愛因斯坦的“廣義相對論”改變了。
關於宇宙的起源，古人們很早以前就已經有了自己的解釋，如中國古代的盤古開天闢地說以及西方的上帝創造萬物說，等等。無論是盤古開天闢地說還是上帝創造萬物說，其都有一個共同點，那就是地球是宇宙的中心，人類是宇宙的中心。在西元前年，希臘哲學家亞里斯多德認為，地球是不會動的，像月亮、太陽以及其他行星通通圍繞著地球轉動。漸漸地，人們接受了亞里斯多德的說法。
但是，尼古拉•哥白尼並不認可亞里斯多德的理論，他認為地心說是錯誤的，正確的理論應該是日心說，即太陽是宇宙的中心。哥白尼的日心說在今天看來，也是錯誤的。但是在那個年代，這已經是最接近當前宇宙學說的理論了，畢竟那個時候人們的觀察工具有限。
【哥白尼的箭樓】
年，哥白尼遷居到瀕臨波羅的海的弗隆堡。他買下了城堡中的一座箭樓。箭樓本來是作戰用的，最上面的一層是哥白尼工作的地方，下面的兩層用作臥室。從上層的視窗和露臺，哥白尼得以方便地觀測天象。哥白尼的餘生就是在這個地方度過的，並在這裡寫出了他的巨著——《天體運行論》。不過，在十字騎士團侵犯期間，他的手稿、儀器和藏書一度被燒毀。直到年的秋天，哥白尼才重新開始寫作《天體運行論》。這時，一位名叫安娜的女士出現在哥白尼的身邊。出身名門的安娜由衷地敬仰哥白尼，擔任了他的管家。在她的幫助下，哥白尼得以全身心地投入到研究和寫作中。
哥白尼的日心說理論雖然先進，但是卻沒有事實的支撐。後來，望遠鏡出現了，這意味著人們可以把視線放得更遠。義大利人伽利略利用這個新發明，來觀察星空。通過觀察，伽利略證明了哥白尼理論的正確性。
後來，開普勒通過自己的研究糾正了哥白尼理論中的缺陷，即把行星沿著圓形軌道運轉改成了沿著橢圓形軌道運轉。這些研究告訴人們，我們所居住的地球，包括宇宙中的其他星球，並不是靜止不動的，而是沿著特有的軌道不停地運轉著。
儘管這些理論有研究支持，但是依然不被大多數人所接受。當然，人們接受一種新的理論畢竟需要時間，但這並不是最重要的原因。關鍵在於，這種理論本身就存在著無法解釋的問題。例如，如果說我們的地球在不停地轉動，而且是一個球體，那麼居住在地球上的人們為什麼不會掉下去呢?時間解決了這個問題。
年的時候，以撒•牛頓出版了《自然哲學的數學原理》。牛頓的這部著作在物理學界的地位十分重要，並被認為是物理科學界有史以來最重要的著作。在這部著作中，牛頓提出了一個十分重要的理論，即萬有引力定律。這條定律解釋了我們為什麼不會從地球上掉下去。
萬有引力定律認為，宇宙中的任何物體都會被另外一種物體所吸引，當物體的品質越大時，其本身所具有的引力也就越大。正是這種引力，決定了每顆星球的運轉軌道，也決定了地球為什麼圍繞著太陽轉而不是太陽圍繞著地球轉，這是因為太陽的品質和引力比地球大。
此外，牛頓還在《自然哲學的數學原理》中解釋了時間和空間以及物體是如何在空間和時間中運轉的問題。牛頓認為時間和空間是絕對的。所謂絕對時間就是指，時間不論在哪裡、在哪種狀態下，都會按照其自身的本質不變地、均勻地流動著，與任何外界現象都沒有關係。而絕對空間就是指，空間就好像一個巨大的容器一樣，為物體的運動提供了場所。不論是把物體放進這個容器，還是取出這個容器，都不會給這個空間本身帶來什麼改變。這個絕對空間理論的實質就是，空間是均勻且不動的。
總的來說，牛頓的絕對時間和空間理論把時間和空間與物質和物質運動隔離開來。正因為這樣，這個理論本身才存在著許多矛盾。牛頓本人也意識到了。正如愛因斯坦所說：“牛頓自己比他以後的許多博學的科學家都更加清楚他思想結構中的固有缺點。”
在世紀後半葉，馬赫出版了《力學史》，在這部著作中馬赫尖銳地批評了牛頓的絕對時間和絕對空間。馬赫認為，牛頓所提出的絕對時空觀脫離了經驗事實，是站不住腳的。馬赫的這種觀念對愛因斯坦產生了深刻的影響。
年，麥克斯韋發表了《電磁場的動力學理論》，從波動方程中得出了電磁波的傳播速度，並且證明電磁波的傳播速度只取決於傳播的介質。
後來，赫茲把麥克斯韋的波動方程進行了改造，使這個方程變得更加簡潔。此外，赫茲還提出，電磁波的波速與波源的運動速度完全沒有關係。赫茲的這個觀點與伽利略的變換觀點存在著一定的矛盾。伽利略為了解決有關時間和空間的問題，花費了大量的精力進行研究。最終伽利略提出了相對性原理，即一個相對於慣性系統做勻速直線運動的系統，其內部所發生的一切力學過程都不會受到此系統作為整體的勻速直線運動的影響。
洛倫茲為了解決這個矛盾提出了新的觀點，即長度收縮假說。後來，洛倫茲又投入了大量的精力進行研究，洛倫茲所研究的理論甚至已經接近愛因斯坦的狹義相對論，但是由於其理論的邏輯太過混亂，最終與狹義相對論失之交臂。
後來，法國一位科學家彭加勒開始質疑洛倫茲的長度收縮假說理論和批判牛頓的絕對時空理論。最終這位科學家的思想開始靠近相對性原理，他的研究也越來越接近狹義相對論的內容。但是，彭加勒還沒有正式發表論文的時候，愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》就已經搶先一步橫空出世了。
愛因斯坦的狹義與廣義相對論
年月日，阿爾伯特•愛因斯坦出生在德國的西南一隅烏爾姆市。在中世紀的時候，德國對烏爾姆市的印象是：“烏爾姆人都是數學家。”這種評價與後來成為物理學家的愛因斯坦倒是非常相配。但是，愛因斯坦早期並不喜愛數學，甚至認為數學對物理研究並沒有那麼重要。但是，這種看法隨著愛因斯坦對物理深入的研究而改變了。
愛因斯坦早年曾在瑞士的蘇黎世大學擔任編制外物理講師的職位，當時愛因斯坦被分派的課時是星期二和星期六早上的七點至八點。蘇黎世大學規定，大學生們有權利選擇是否去聽編制外講師的課。所以，默默無聞的愛因斯坦在第一次講課時，只迎來了三位學生，而這三位學生還都是愛因斯坦的朋友。
那個時候的愛因斯坦作為一名講師，經常不能很好地備課，所以在講課的時候頻頻出錯。因此，愛因斯坦在每次講完課之後，都會慣性地問道：“誰來告訴我，我在什麼地方出錯了沒有?”當有學生指出愛因斯坦有關數學上的錯誤時，愛因斯坦往往會說：“我經常告訴你們，我的數學從來就不怎麼樣。”
在愛因斯坦還只是一名中學生的時候，突然想到了一個問題：如果以光速追隨另外一條光線運動，那麼我們將會看到，這條光線就好像是一個在空間中震盪而停滯不前的電磁場。可是這種現象，是以往的物理知識所無法解決的。愛因斯坦開始嘗試著解決這個問題，但是都失敗了。因為那個時候的愛因斯坦比較偏重於前人的經驗，而不是自己創新一些理論。
後來愛因斯坦打破了傳統的物理觀念，創造出了屬於自己的理論，即狹義相對論。在這個理論中，愛因斯坦重新創造了有關時間和空間的概念。
如今，人們都已經接受了愛因斯坦的相對論理論。但是，當愛因斯坦剛剛提出相對論的理論時，受到了不少人的抨擊。因為在那個時候，經典物理學理論已經相當完善且深入人心，當時的物理學界大多數人都認為，有關物理的理論已經大功告成，後人們的工作就是不斷地提高計算的能力和精准度。但就在這時，愛因斯坦提出了與經典物理學相悖的狹義相對論。
愛因斯坦的狹義相對論認為，物質的運動、時間與空間並不是孤立存在的，而是相互聯繫在一起的。物體在運動的時候，速度在不斷增加的同時，其品質也在增加，而空間和時間也會隨著物體的運動而出現變化。
愛因斯坦的相對論理論是現代物理學的理論基礎之一，主要解決有關物質運動與時間、空間的關係問題。在狹義相對論中，愛因斯坦認為光速永遠保持不變，就任何參考系統而言，在真空中光的傳播速度都是c=km/s。目前為止，光速是最快的。這是因為光是一種電磁波。
狹義相對論還認為：在任何慣性系統中，物理規律也是保持不變的。只要承認了上述兩個觀念，那麼就已經接受了狹義相對論，從而也放棄了牛頓的絕對時間和絕對空間理論。
在愛因斯坦的相對論中，愛因斯坦本人希望人們能放棄所有通過時鐘測量得到的普遍時間概念。因為每個人都應該有他自己的時間值，即兩個人如果是相對靜止的，那麼他們的時間值就是一致的;如果他們之間存在著相互運動，那麼他們所觀察到的時間將會不同。也就是說，你所置身其中的速度將會決定你的時間。
愛因斯坦的上述理論在當時的許多人看來都是不可理解且荒唐的。但是大量的實驗已經證明了愛因斯坦上述理論的正確性。一個圍繞著地球旋轉的精確時鐘與放在實驗室內相對靜止的精確時鐘相比，兩者在時間上確實存在著差異。
愛因斯坦的相對論認為，當速度與光速相同時，時間就會靜止;而速度超過了光速，時間就會倒流。如果你想延長自己的壽命，那麼你可以試著乘坐飛機向東飛行。這樣一來，飛機的速度疊加上地球旋轉的速度，你就可以獲得零點幾秒的生命延長。
此外，愛因斯坦還提出了一個品質能量方程，即E=mc。起初人們都不相信愛因斯坦的這個公式，直到原子彈爆炸的時候，人們才徹底相信愛因斯坦的公式和相對論，並認為愛因斯坦就是“原子彈之父”。但是愛因斯坦本人並未承認過，因為他認為自己的理論是造福人類，而不是製造出殺傷性這麼巨大的核武器。而且，愛因斯坦本人並未參加原子彈的製造過程，只是一些美國科學家利用了愛因斯坦的公式。
愛因斯坦的這個公式認為，任何物質在通常情況下都包含著巨大的能量，只是沒有找到向外釋放的途徑而已。
愛因斯坦是在年提出狹義相對論的，那一年被稱為“物理年”。但是狹義相對論本身也存在著一定的問題，後來愛因斯坦在年的時候提出了廣義相對論的基本原理。經過不斷地豐富和充實，他在年發表了關於廣義相對論的論文《廣義相對論基礎》。廣義相對論主要針對引力問題進行探討，在狹義相對論的基礎上，進一步討論關於時空結構與物質分佈之間的關係，並且提出時空“彎曲”。
愛因斯坦的廣義相對論認為，引力場可以造成空間的扭曲。引力場的極致會使時間和空間變得扭曲起來，從而使光都無法逃逸出去。而黑洞就是這樣一個引力十分巨大的天體，不論什麼都會被其吞噬。但是，愛因斯坦本人並不相信宇宙中存在黑洞這樣引力巨大的天體，而以史蒂芬•霍金為首的大多數物理學家都相信宇宙中存在著能夠吞噬一切的黑洞。
【伽利略的相對性原理】
有關相對性的原理是伽利略首先提出來的，伽利略本人對這個理論的解釋是這樣的：假設你和幾位朋友被關在一條大船的甲板下面，這條船在物理學中被稱為“薩爾維柯蒂之船”。這裡的空間很充足，跟你一起來到這裡的除了朋友外，還有一些蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲。這個時候，你找到了一個大木桶，並往木桶中蓄滿了水，木桶裡面還放了幾條魚。然後，你需要找一個裝滿水的瓶子掛起來，讓這個瓶子中的水一滴一滴地滴到下面的一個細頸瓶子中。在船靜止不動的時候，你會看到小飛蟲、蒼蠅和蝴蝶在這個封閉的空間中以相同的速度飛向不同的方向;木桶中的魚以相同的速度遊往不同的方向;瓶子中的水永遠滴到下面的細頸瓶子中。你可以試著把任何東西扔給你的朋友，只要距離是相同的，儘管方向不同，但是所用的力量是相同的。就好像你立定跳遠一樣，無論你跳往哪個方向，距離都是一樣的。
那麼，你所觀察到的上述現象會不會受到船速的影響呢?伽利略認為，只要你能保證船隻的運動是勻速的，不會忽左忽右地擺動，不論船隻的速度是多少，你所看到的現象都不會因此而改變。同樣，你也不能通過對上述幾種現象的觀察，來確定船隻是否正在運動，或許你所乘坐的船正在全速前行，或許是靜止不動。而這種現象就是伽利略所說的相對性原理。
宇宙大碰撞——大爆炸之後到底發生了什麼?
廣義相對論告訴我們，宇宙大爆炸意味著宇宙的起源和時間的開始。宇宙大爆炸理論認為，在億年前，宇宙還只是一個奇點，這個時候宇宙的體積是零，所以無限熱。
年的時候，喬治•勒梅特首次提出了現代宇宙大爆炸理論。這個理論認為，整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，後來隨著溫度的升高而發生了大爆炸。大爆炸的碎片向四面八方散去，最終形成今天的宇宙。但是，宇宙大爆炸只是一種被大多數人認可的理論而已。
粒子的運動速度與溫度有著十分密切的關係。在高溫狀態下，粒子的運動速度非常快，甚至能打破核力或電磁力把它們吸引在一起的作用。在高溫狀態下，粒子的高速運轉會使粒子之間發生碰撞，碰撞的結果就是產生了許多不同的粒子或是反粒子對。在這種高速的碰撞中，一些粒子會碰撞到反粒子，這會導致粒子的湮滅。不過也不用擔心，因為粒子的產生遠遠高於湮滅的速度。
在大爆炸發生的一秒鐘後，宇宙的溫度降低到億攝氏度，是太陽中心溫度的倍左右。這時的宇宙中主要有光子、電子和中微子(也就是粒子)。這個時候，粒子的運動應該非常迅速，但只是一些極輕的粒子和反粒子。
與此同時，宇宙也在不斷地膨脹。隨著宇宙的膨脹，宇宙內的輻射溫度會漸漸降低。在低溫度狀態中，粒子的運動速度會大大降低，粒子所具有的能量也在降低。也就是說，粒子的產生速度在降低，其湮滅的速度會高於產生的速度。電子與粒子一樣，在這種低溫度的碰撞中，產生率遠遠低於湮滅率。
在這種膨脹與降溫中，大多數的電子和反電子都相互湮滅了，而光子的數量卻在不斷增加。由於中微子——也就是輕粒子——它的能量很低，就是說它們所產生的作用非常輕微，所以不會像電子湮滅得那麼慘烈。例如，如今的宇宙中還存在著遠古時期的輕粒子。
在宇宙大爆炸發生了大約秒之後，溫度降得更低，大約降低到億攝氏度左右，相當於最熱的恒星內部的溫度。由於溫度低，所以質子和中子的運動速度大大降低，其本身所具有的能量也在降低，直接導致重氫原子核的出現。此外，還有很多元素也在誕生，這些元素就是以後組成萬物的框架。
當宇宙大爆炸發生了幾個小時後，重氫和其他元素停止產生。這個時候的宇宙已經不再進行創造了，在之後的幾百億年中，宇宙只是在不斷地膨脹和降溫。
當宇宙的溫度降低到幾千攝氏度之後，電子和核子的運動速度和能量已經降低了很多。這時，它們已經沒有能力對抗電磁吸引力，這直接導致了原子的出現。按照宇宙大爆炸的理論，宇宙就是一個不斷膨脹和降溫的過程。但是，宇宙如此之大，大到讓人們誤以為其無限的程度。所以，宇宙中膨脹和降溫的速度並不相同。在有些區域，膨脹會由於額外的引力而放緩。在一些區域，甚至會結束膨脹。也就是說，這些區域中已經沒有了光與熱。因此，這個時候便出現了坍塌。
這種坍塌會使其內部的原子發生碰撞，這種碰撞會產生能量與熱量。隨著內部溫度的上升，最後會發生熱巨變反應，從而使更多的氫轉變成氦，並停止坍塌，使宇宙長時間處於一種穩定的狀態。例如太陽，其本身需要把氫燃燒成氦，並散發出光與熱量。
宇宙中的所有恒星基本上都會經歷上述過程。當恒星在短時間內把所有的氫都消耗完畢後，會稍微收縮，然後把氦轉變成碳和氧等元素，為生命的出現提供了可能性。有人認為，在宇宙大爆炸發生後會出現一些早期恒星。這些恒星會經歷上述過程，從而產生碳和氧這樣形成生命的重要元素。
天文學家認為，給予我們地球人光與熱的太陽，並不是宇宙大爆炸後所形成的第一代恒星，而是第二代或是第三代恒星。當恒星耗盡自身所有的光與熱量之後，自然會形成碳和氧這樣重要的元素，但同時也意味著生命的結束。在恒星生命即將結束時，會把新形成的元素拋向宇宙。這為後來新的恒星的誕生奠定了基礎。