科学事实、有根据的推测和猜想
电影《星际穿越》中的科学依据涉及以上所有4个理论领域：牛顿定律、相对论物理定律、量子理论和量子引力理论。这其中，一些内容是科学事实，另一些是有根据的推测，还有一些是猜想。
所谓的“科学事实”必须植根于已经建立的物理定律（牛顿定律、相对论物理定律或者量子理论）。并且，它要有足够多的观测事实作为基础。而这些观测事实，都可以被以上物理定律描述。
具体而言，我在第1章中讲到的中子星和磁场是真实存在的，属于科学事实。为什么这样讲呢？首先，中子星是由量子定律和相对论物理定律切实预言而存在的。其次，天文学家们对大量来自中子星的脉冲辐射（pulsar radiation）进行了研究（包括可见光、X射线、射电辐射）。这些脉冲辐射的观测数据非常漂亮，如果这些脉冲辐射来源于自转的中子星，那么它们可以精确地被量子定律和相对论物理定律描述。并且，人们至今还没有找到其他合理的解释。再次，中子星是切实的天文学预言，它们产生于超新星（supernovae）爆发。在超新星爆发的遗迹——巨大膨胀的气体云中心，我们观测到了同样的脉冲辐射。因此，天体物理学家们对以下结论深信不疑：中子星确实存在，并且发出了可观测到的脉冲辐射。
另一个科学事实是黑洞卡冈都亚和由它偏折光线所产生的恒星图像的扭曲（见图2-3）。物理学家们称之为“引力透镜”
，因为这和我们使用放大镜或者曲面镜看到的变形图像非常像，比如我们在游乐园的哈哈镜中所见的景象。
图2-3 黑洞卡冈都亚所在星系的恒星，它们围绕在卡冈都亚的阴影周围。卡冈都亚折射了发自恒星的光线，因此这个星系看起来被强烈地扭曲了。这就是星系的引力透镜现象
来自双重否定公司视觉特效团队为本书所做的图像模拟
爱因斯坦的相对论物理定律明确地预言了黑洞的所有性质，从黑洞的表面到外围，包括引力透镜现象。天文学家们则拥有确凿的观测证据表明宇宙中的确存在黑洞，包括像卡冈都亚一样的超大质量黑洞。天文学家们已经观测到很多引力透镜现象（参见图2-3）。尽管由黑洞引起的引力透镜现象尚未有记录，但已有的引力透镜观测与爱因斯坦相对论物理定律的预言非常精确地吻合了。
这对我来说已经足够了。我提供了卡冈都亚的引力透镜方程，而保罗·富兰克林的团队据此进行了图像模拟，这些图像就是我们可能会看到的真实图景。
相反，电影中“枯萎病会危及人类在地球上的生存”的桥段（见图2-4和第10章），一方面是一个有根据的推测，而另一方面也是一种猜想。下面我来解释一下。
图2-4 焚烧感染了枯萎病的农作物
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
在历史上，我们可以找到农作物被“枯萎病”（由微生物引起的快速传播的疾病）困扰的相关记载。理解枯萎病需要进行生物学研究。生物学建立在化学理论的基础上，而后者基于量子定律。科学家们现在还不知道如何从量子定律推导出所有相关的化学理论（但是他们已经可以推导出很多了），他们也不完全知道化学和相关生物学之间的关系。然而，从观察和实验中，生物学家们已经知道了关于枯萎病的诸多事实。迄今为止，人们遇到的枯萎病还没有由一种农作物感染到另一种农作物，然后迅速蔓延以致威胁人类的生存。但是，我们并不能保证这种事情不会发生。因此，“可能存在这样一种枯萎病”是有根据的推测，而“这种枯萎病某天确实会发生”则是一种猜想。不过，大多数生物学家还觉得这不太可能会发生。
影片中发生的引力异常（见第23章和第24章），例如库珀扔出的硬币突然快速落到地板上，这是一个猜想。同理，利用引力异常离开地球、移民太空的情景也同样是猜想（见第30章）。
尽管实验物理学家们在测量引力效应时曾经努力寻找这些可能的异常现象——那些不能由牛顿定律或相对论物理定律来解释的现象。但是，在地球上，人们至今仍没有发现令人信服的引力异常现象。
然而，在探索量子引力理论的过程中，人们发现宇宙似乎是更高维度的“超空间”中的一层宇宙膜，物理学家们把这个高维空间叫作“超体”，请参见图2-5、第3章和第20章。当物理学家们把爱因斯坦的相对论物理定律运用到超体中时，正如影片中布兰德教授在他办公室的黑板上所写的（见图2-6），他们发现了引力异常存在的可能性——引力异常可以由超体中的物理场触发。
图2-5 太阳周围的区域。在图中，宇宙被描绘成了一个二维的表面或者膜，存在于一个三维的超体中。事实上，我们的宇宙膜是三维的，而超体则是四维的。这张图在第3章里有更为详细的解释（特别是图3-4）
图2-6 布兰德教授黑板上的相对论物理定律方程描述了引力异常可能根植的物理学基础，细节见第24章
实际上，我们还远不能确定超体的存在。如果超体存在且也属于爱因斯坦相对论物理定律统治的世界，那么“引力异常”才可以算是一个有根据的推测。可是，即使超体存在，我们也并不知道是否会有作用场能诱发引力异常，即使有，我们也不知道它能否被控制。所以，引力异常和控制引力异常是极致的猜想。但是这些猜想有一定的科学依据，我和我的物理学家朋友们很热衷于谈论这些问题——至少是在几杯啤酒下肚的晚上。所以这些猜想遵循的是在电影《星际穿越》中我所倡导的准则：“猜想起源于真实的科学，至少那些‘备受尊敬’的科学家们应认为这些猜想是有可能的。”
当然，这些状态并不是一成不变的；你有时可能会遇到它们在电影里或在本书里发生变化的情况。对库珀来说，超体原本是一个有根据的推测。然而，当他进入超立方体后，这就变成了事实（见第28章）。而量子引力理论起初只是一个猜想，直到它被那个极富幽默的海军机器人塔斯（TARS）在黑洞中提取出来时，库珀和墨菲才意识到它的真实性（见第27章和第29章）。
对于19世纪的物理学家来说，牛顿的平方反比引力定律是绝对真理；但是在19世纪90年代前后，它被革命性地颠覆了，起因是由于人们观测到水星环绕太阳的运动轨道存在一个微小的反常（见第23章）。牛顿定律对于太阳系的研究接近完美，但还差了一点儿。就这小小的异常开启了通往20世纪爱因斯坦相对论物理定律的大门。在强引力场下引力定律会改变，这开始只是一个猜想，后来有了观测数据的初步分析，就变成了有根据的推测，到1980年，当进一步的观测证据肯定了这一理论时，它就变成了科学事实（见第3章）。
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已被公认的科学事实很少遭到革命性的颠覆；但一旦发生，势必会对科学与技术产生深远的影响。
猜想变成有根据的推测，最后变成了科学事实，你能找出生活中类似的例子吗？你是否经历过由自己建立的理论被推翻并引发革命性结果的事情呢？