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二维膜与三维超体的碰撞
1844年，埃德温·艾勃特（Edwin Abbott）写了一部讽刺小说《平面国》[1]（封面为图21-1所示）。尽管这部小说中针对维多利亚时期文化的讽刺在今天看来有些古怪，并且书中对女士的态度也十分无礼，但是它描述的场景和电影《星际穿越》紧密相关，我推荐大家读一下。
图21-1 第一版《平面国》的封面
这本书讲述了一个正方形生物的冒险故事。这个正方形生活在一个名为“平面国”的二维宇宙中。他去过一维宇宙“线国”和零维宇宙“点国”，以及对他来说最神奇的三维宇宙——“空间国”。并且，当他住在“平面国”的时候，来自“空间国”的一个球形生物拜访了他。
第一次见到诺兰时，我们惊喜地发现：对方都读过并且很喜欢艾勃特的这部小说。
现在，本着艾勃特小说的精神，请想象你是一个二维宇宙的生物，像书中正方形一样生活在类似“平面国”的二维宇宙中。你的世界可能是一个桌面、一张又平直又薄的纸或者一个橡胶薄膜——用近代的物理语言说，它是一个“二维膜”（two-dimensional [2D] brane）。
你受过良好的教育，尽管你推测存在一个三维的超体世界，而且你的二维膜嵌于其中，但是你对此并不确定。有一天，一个来自三维世界的球来拜访你，想象一下你该有多么激动。“超体生物”[2]，你或许会这么称呼他。
最初，你并没有意识到他是一个超体生物，但是经过多方观察和思考，你排除了其他所有解释。你所观察到的是：突然地、毫无征兆地、也没有来源地，一个蓝色的点出现在你的二维膜上（如图21-2左上图所示）。它逐渐扩张成了一个蓝色的圆，在达到最大半径（见左中图）后，又逐步缩小成一个点（见左下图），直至完全消失。
你相信物质守恒定律——没有东西能够被凭空创造出来，然而这个东西凭空出现了！你发现唯一的解释只能如图21-2右边所示：一个三维超体生物——一个圆球——穿过了你的世界膜。当它穿过时，你见识到了在你的世界膜里它的二维横截面的变化。截面从球的南极点开始（见右上图），从一个点扩张成最大的截面，即它的赤道平面（见右中图），然后再缩小成点，即球的北极，最后消失（见右下图）。
图21-2 一个三维球体经过二维膜时的示意图
想象当一个三维的人类（住在三维的超体世界中）在经过你的二维世界膜时，会发生什么？你又会看到什么样的景象？
当五维世界的超体生物穿过我们的三维膜时
假设我们的宇宙（具有三个空间维度和一个时间维度）真的存在于一个五维的超体世界（四个空间维度和一个时间维度）中。同时还假设有“超球体生物”（hyperspherical beings）存在于这个五维超体中，这样的生物会有一个中心和一个表面。它的表面包含的所有点，在四维空间中看来，到中心的距离都是一样的，比如30厘米。这个超体生物的表面有三个维度，而内部有四个维度。
想象这样一个超球体高维生物，在超体膜外维度的向上和向下方向运动，在穿过我们的三维膜世界时，我们会看到什么？你能想到的那个答案是正确的，我们会看到超球体的圆球截面（见图21-3）。
一个点会凭空出现（1）；它逐渐扩张成三维的球面（2）；这个球面会变大到最大直径（3）；然后收缩（4）；又缩小为一个点（5）；最后消失。
那么，当一个住在超体中的四维的人经过我们的三维宇宙膜时，你能猜到是怎样一个情景吗？为了推测这一点，首先你需要想象一下四维的人类——他们的两条腿、一个躯干、两只胳膊和一个头在超体世界中会长成什么样子。他们需要具有超体世界四个空间维度的特征。然后，再想想他们的横截面是什么样子的。
图21-3 超球体高维生物穿过我们的三维膜时，我们在膜中看到的景象
超体生物的特征和他们的引力
如果存在超体生物，他们是由什么构成的？当然不可能像我们一样由原子构成的物质组成。因为原子有三个空间维度，只能存在于三维世界中，在四维世界中不存在。亚原子粒子也是如此。此外，电场、磁场（见第1章）以及束缚原子核的力都只存在于三维世界中。
如果我们的宇宙真是高维超体世界中的一张膜，那么物质、场和力是如何表现的？世界上某些最聪明的物理学家们一直在非常努力地理解这一点。他们的研究结果相当确定地指出，人类所知的所有粒子、所有的力和所有的场都被限制在我们的宇宙膜内。但有一个特例，那就是引力和伴随着引力的时空弯曲。
超体世界中也许存在着其他类型的物质、场和力，它们具有四个空间维度的特征。但是即使存在，我们对它们的特性也一无所知。不过我们却可以猜测。物理学家们善于猜测。但是因为我们无法获得观测数据或者实验证据，所以也就无法验证我们的猜想。在电影《星际穿越》中，我们能在布兰德教授的黑板上看到他的猜测过程（见第24章）。
一个合理的、有根据的推测是，如果超体世界中的力和场以及粒子的确存在，那么我们永远也不会感觉到或者看到它们。当超体生物穿过我们的宇宙膜时，我们将看不到构成这个超体生物的任何东西，因为他的截面是透明的。
但另一方面，我们将可以感受到和看到这个超体生物的引力以及由它引发的时空弯曲。举例来说，如果一个超球体高维生物出现在我的胃里，并且拥有足够强的引力，那么我的胃可能会为了避免被吸到超体生物的球形截面中心上去而肌肉紧绷，开始绞痛。
如果超体生物的横截面出现又消失在色板方格前，那么它导致的空间弯曲会对色板产生透镜效应，使我们看到的图像发生扭曲，就如图21-4中上图所显示的一样。
如果这个超体生物在旋转，那么他也许会把空间拖入回旋运动中。我们能够感受并且看到这种运动，就如图21-4的下图所示。
《星际穿越》中的超体生物
在《星际穿越》这部电影中，尽管超体生物这个名词的出现频率并不高，但所有人都相信他们的存在。通常，超体生物被称作“他们”——一个充满敬意的称谓。在电影开始的时候，阿梅莉亚·布兰德对库珀说：“不论他们是谁，但似乎都是在帮助我们。虫洞恰好在我们需要的时候出现了，让我们能穿越到其他星球上去。”
克里斯托弗·诺兰的一个聪明且有趣的想法是想象“他们”其实是我们的后代：在很久之后的未来，人类进化进入了新的空间维度，并且我们可以生活在高维世界中。在电影的后半段，库珀对塔斯说：“你还没明白吗？塔斯，他们不是什么超体生物，他们就是我们人类，他们在试图帮助我们，就像我在努力帮助墨菲一样。”塔斯回答道：“人类没有建造出这个超立方体。”（电影中库珀所搭乘的超立方体详见第28章）。“虽然现在还没有，”库珀回答说：“但是将来会有这一天。不是你，也不是我，但会是人类，我相信是那些已经进化到超越现在已知领域的四维的人类。”
图21-4 当一个超体生物穿过我们的宇宙膜时，我们看到的色板产生的弯曲和漩涡
库珀、布兰德和“永恒”号其他船员都不曾看到或者体会过人类超体后代的引力，以及他们带来的空间扭曲和漩涡。如果真有这种情况，那么可以留给电影《星际穿越》的续集。但是在电影中，较年老的库珀却搭乘着第29章中提到的即将关闭的超立方体，穿过超体，并伸出手，寻求与“永恒”号船员和年轻的自己接触。布兰德感受并看到了库珀的存在，并以为他就是“他们”。
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[1] 该书的新版将由湛庐 文化策划、浙江人民出版社出版。——编者注
[2] 该书的新版将由湛庐 文化策划、浙江人民出版社出版。——编者注
