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在黑洞卡冈都亚附近驾驶飞船十分困难，因为黑洞的转速非常快，相应地，引力就非常大。行星、恒星或者飞船必须有足够大的离心力才能与卡冈都亚的巨大引力相抗争，从而不被毁灭。这意味着，飞船必须以极快的速度航行。事实上，这一速度需要接近光速。按照我对电影《星际穿越》的科学解读，“永恒”号应该停泊在5倍卡冈都亚半径的轨道上，这里的轨道速度是光速的1/3，即c/3（c代表光速）。此时，船员们需要抵达米勒星球，那里的轨道速度是光速的55%，即0.55c。
按照我的理解，为了从停泊轨道抵达米勒星球（见图6-1），“巡逻者”号必须将飞船的前进速度从c/3大幅降低。这样，卡冈都亚的引力就可以将它拉向下方。当它落到米勒星球附近时，它必须从下落状态转变为前进状态。这时，飞船已经从加速下落中获得了巨大速度，因此，它需要降低大约c/4的速度才能够变成米勒星球的轨道速度，即0.55c，并降落于其上。
图6-1 “巡逻者”号去往米勒星球之旅（按照我对电影的科学解读）
那么，“巡逻者”号的驾驶员库珀有什么办法可以产生这样巨大的速度变化呢？
21世纪科技都无法解决的加速困境
库珀需要降速c/3，也就是10万千米每秒（注意，是每秒，不是每小时）！
令人感到遗憾的是，人类至今能够制造出的最强大的火箭也只能达到15千米每秒的速度，也就是需求的七千分之一。在《星际穿越》中，“永恒”号从地球到土星的旅行花了两年时间，即平均速度为20千米每秒，是需求的五千分之一。我认为，21世纪人类最终能够制造出来的最快飞船的航行速度能够达到300千米每秒，这就要求在核动力火箭上投入巨大的研发力量，但这依然比《星际穿越》剧情需要的慢300倍！
幸运的是，自然界提供了一个能满足电影中对巨大速度改变的方法：利用比卡冈都亚质量小很多的黑洞的引力弹弓效应，所以电影中需要的c/3的速度改变是可以实现的。
驶往米勒星球的弹弓之旅
卡冈都亚这种巨大的黑洞附近聚集着很多恒星和小质量黑洞（更多讨论见下节）。按照我对电影的科学解释，我猜测库珀和他的团队调查了环绕卡冈都亚转动的所有小黑洞。他们发现其中一个正好处在恰当的位置上，可以通过引力偏转“巡逻者”号的近圆形轨道，并将其向下送入去往米勒星球的航线（见图6-2）。这种通过引力帮助航天器移动的东西被称作“引力弹弓”，现在经常被美国宇航局应用于太阳系内的旅行中——只不过是利用行星的引力而不是黑洞的（参考本章结尾处的“附录2技术札记”）。
图6-2 “巡逻者”号利用一个小黑洞的引力弹弓效应偏转向下，前往米勒星球
《星际穿越》这部电影中没有表现如何操纵引力弹弓效应，也没有在对话中讨论过，但库珀曾说：“看，我可以利用那颗中子星的弹弓效应来减速。”减速在旅途中很必要，当“巡逻者”号从“永恒”号的停泊轨道前往米勒星球时，它会在卡冈都亚巨大的引力拉拽中下落，从而获得过大的速度：它会比米勒星球的轨道速度快c/4。在图6-3中，一颗中子星正在向米勒星球的左侧前进，它会降低“巡逻者”号的速度，使它平稳地降落在米勒星球上。
但是，这些引力弹弓之旅可能会非常不舒服。事实上，因为潮汐力的作用（见第3章），旅途还可能是致命的。
为了改变c/3或者c/4这样巨大的速度，“巡逻者”号必须离小黑洞或者中子星非常近，以利用它们强大的引力。在这样近的距离内，如果“弹弓”是一颗中子星或者一个半径小于10 000千米的黑洞（大约是地球那么大），那么“永恒”号和船员们都会被潮汐力撕裂（参考第3章）。
为了让“巡逻者”号和船员们存活下来，“弹弓”必须是一个尺寸超过10 000千米的黑洞。
自然界中确实存在着这种尺寸的黑洞，它们被称作中等质量黑洞（intermediate-mass black holes，IMBHs）。它们的半径并不算小，但比卡冈都亚要小10 000倍。[1]
所以，诺兰本应该选择一个地球大小的中等质量黑洞来为“巡逻者”号减速，而不是一颗中子星。在对乔纳电影剧本进行早期修改时，我和诺兰曾讨论过这个问题。经过讨论，诺兰还是选择了中子星。为什么？因为他不希望大多数观众被一堆黑洞搞迷糊。在两个小时的快节奏电影中，理解一个黑洞、一个虫洞、一颗中子星，再加上《星际穿越》中丰富的其他科学知识，这是诺兰所能承受的极限。所以，当他了解到在卡冈都亚周围的旅行必须用到引力弹弓效应时，他只是在库珀的台词中加进了一句话，然后使用了一个科学上不太可能的弹弓：一颗中子星而不是一个中等质量黑洞。
星系中心的中等质量黑洞，最佳弹射弹弓
半径为10 000千米的中等质量黑洞重约10 000倍太阳质量。这比黑洞卡冈都亚轻10 000倍，但比普通黑洞重1 000倍。这就是库珀需要的引力弹弓。
人们认为，有的中等质量黑洞可能形成于恒星集团密集的核心区，这些恒星集团被称作“球状星团”（globular cluster）。而另一些中等质量黑洞也可能一路前往星系中心，到达巨大黑洞所在的地方。
以仙女座为例。这个星云是离银河系最近的大星系（见图6-4），其中心潜伏着一个与卡冈都亚大小相同的黑洞，重达1亿倍太阳质量。大量恒星被拉到了巨型黑洞的附近区域：大约1 000颗恒星聚集在1立方光年的空间里。如果一个中等质量黑洞经过这样的密集星场，它的引力会偏转这些恒星，而它背后的恒星密度则会增加，形成航行轨迹（见图6-4）。这个航行轨迹的引力会拉拽中等质量黑洞，降低它的速度，这个过程叫作“动力学摩擦”。当中等质量黑洞慢慢减速，它会更深地沉入巨型黑洞附近。按照我的理解，通过这种方式，自然界提供了库珀所需要的中等质量黑洞来进行弹弓弹射。[2]
图6-3 中子星的引力弹弓效应帮助“巡逻者”号在米勒星球上平稳降落
图6-4 左：仙女座星系中寄宿着一个与卡冈都亚大小相同的黑洞。右：中等质量黑洞通过动力学摩擦过程减速，从而沉入巨型黑洞附近
超级文明的航行轨迹
太阳系里行星和彗星的轨道都是非常精确的椭圆（见图6-5）。牛顿引力定律确保了这一点。相反地，如卡冈都亚这样巨型的、旋转的黑洞周围由于受爱因斯坦相对论物理定律的主导，其天体轨道复杂得多。图6-6是一条轨道的示意图。沿着这条轨道绕卡冈都亚旅行一周需要几个小时到几天时间，所以图上轨道缠绕出的图案需要一年时间才能完成。几年后，这条轨道会经过几乎所有你想去的地方，虽然到达的速度可能不是你想要的。那时，你需要一次引力弹弓弹射来改变速度，以抵达目的地。
你可以自由想象一种超级文明会如何利用这些轨道。在对电影剧情的阐释中，为了简单起见，我避开了复杂的轨道，主要讨论了圆形的、赤道面上的轨道（比如“永恒”号的停泊轨道、米勒星球的轨道以及临界轨道）和简单的航行轨迹，如“永恒”号从一个圆形赤道轨道上迁移到另一个。但曼恩星球是一个例外，详细讨论见第18章。
图6-5 行星、冥王星、哈雷彗星的运行轨道都是椭圆形的
引自史蒂夫·德雷斯克（Steve Drasco）的模拟
图6-6 一艘飞船或者一个行星或恒星在快速转动的超大质量黑洞（比如卡冈都亚）周围的一条轨道示意图
“卡西尼”号，现实中的“巡逻者”号
现在让我们从可能存在的世界（不违背物理定律的世界）回到太阳系的舒适“监牢”中来，看看实际的、真实生活中的引力弹弓吧（截止到2014年，人类已经做到的）。
你可能对美国宇航局的“卡西尼”号（Cassini）航天器很熟悉。它于1997年10月15日从地球发射前往目的地——土星，但只带了很少的燃料。“卡西尼”号的动力问题需要引力弹弓效应相助：它在1998年4月26日利用了金星的弹射，在1999年7月24日利用了金星的第二次弹射，又于1999年8月18日利用了地球的弹射，后于2000年12月30日利用了木星的弹射，最终于2004年7月1日抵到达土星（见图6-7）。
图6-7 “卡西尼”号从地球到土星的旅程
这些弹弓弹射和我们上面讨论的不同，飞行器的方向没有被强烈地偏转。金星、地球、木星都只是温和地偏转了飞行器，为什么呢？
这是因为这些弹弓提供的引力都太弱了，所以才无法提供强烈的偏转。金星、地球和伊奥都只能提供小偏转，因为它们的引力很弱。木星倒是有很大的引力，但是当时“卡西尼”号只需要一个微小的偏转就可以到达土星，若木星提供的是一个太大的偏转，那么“卡西尼”号反倒会被送到错误的航向上。
虽然航向的偏转很小，但“卡西尼”号还是在掠过这些天体时被结结实实地“踢了一脚”，以此获得了足以弥补燃料不足的动能。在每次掠过行星时（除了伊奥），“卡西尼”号都是追赶着天体，沿特定角度飞行的，所以行星的引力可以有效地带着“卡西尼”号向前航行，为其加速。在电影《星际穿越》中，“永恒”号就利用火星做了一个类似的弹射。
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在过去的10年里，“卡西尼”号考察了土星及其卫星，发回了令人震撼的图片和信息，开创了美术和科学领域的宝藏。
相对于太阳系内这些较弱的引力弹弓，黑洞卡冈都亚的强大引力可以抓住任何超高速移动的物体，并通过一个强大的引力弹弓效应，将这个物体再次抛出去，连光线也不例外。黑洞对光线的偏转形成了引力透镜效应，而这正是我们理解卡冈都亚外形的关键。
[1] 自然界中确实可能存在中等质量黑洞，但到目前为止， 天文学家们仍然没有在观测中确认它的存在。——译者注
[2] 在特定时间、特定地 点发现中等质量黑洞的概率很小， 但根据科幻小说的精神，只要这在物理上是可能的，我们就可以加以利用。
