宇宙非常广阔，浩瀚而美丽。从某些方面看，它极其简单；而从另一些方面看，它又十分复杂。从宇宙极其丰富的内容里，我们只需要了解很少的一些基本事实即可。

大爆炸，宇宙诞生

宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。我的朋友，宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）给它取了一个略带调侃的名字——“宇宙大爆炸”（Big Bang）。在20世纪40年代，他觉得这只是一个哗众取宠、异想天开的想法。

事实证明，弗雷德错了。我们已经发现了由大爆炸发出的辐射，甚至就在我写这本书的上一周，我们还获得了一些观测数据。初步的分析表明，我们可能观测到了起源于大爆炸后第1兆兆兆分之一秒的辐射。

我们不知道是什么引发了大爆炸，也不知道在那之前世界是什么样子。但宇宙就从那一刻诞生，变成了充满高温气体的浩瀚海洋，并且向所有方向飞速膨胀，就像核弹爆炸或者煤气管道爆炸引发的火球一般。但是这场爆炸没有破坏任何东西（就目前所知），而是创造了我们宇宙中的一切，或者说为宇宙中的万物播下了种子。

我可以单独为大爆炸谱写一章，但这与本书的主题并没有太多关联，所以我尽力克制自己只点到为止。

万亿星系与黑洞

随着宇宙的膨胀，高温气体开始冷却。随机地，有些地方的气体密度比其他地方稍高。当气体冷却到一定程度时，高密度区域自身的引力就会使气体向内塌缩，产生星系（星系是由一大团恒星和它们的行星，还有充斥于其中的稀薄气体组成的），参见图1-1。最早的星系产生于大爆炸发生的几亿年之后。

我们可见的宇宙里大约有上万亿个星系。最大型的星系中包含上万亿颗恒星，并且有大约100万光年 那么大。而那些体积较小的星系也有1 000万颗恒星和1 000光年那么大。几乎在每一个大型星系的中心都有一个超大质量的黑洞（见第4章）。它们比太阳的质量大100万倍 ，甚至更多。

地球所在的星系叫作银河系。银河系里的大多数恒星位于一条明亮的长带中，横亘于晴朗的夜空里。实际上，不仅仅是长带中的恒星，我们在夜空中看到的所有的星星点点都是银河系中的恒星。

离我们最近的一个大型星系是仙女星系（Andromeda），见图1-2.它距离地球250万光年，包含了上万亿颗恒星，跨越了100000光年。银河系和它就像一对双胞胎，大小、形状都很接近，连恒星的数量也是。如果再图1-2中的是银河系的话，那么地球就应该处于黄色小方块所标示的位置。

太阳系

恒星是巨大的高温气体球，通常由内部的热核聚变来 维持高温。太阳是一个非常典型的恒星，它的直径有140 万千米长，比地球直径大100倍。它的表面有闪烁的耀斑，还有一些耀斑分布于各处的高低温区域，通过望远镜看时非常迷人（见图1-3）。

在围绕太阳的椭圆轨道上有八大行星，这其中就包括地球，还有许多矮行星（dwarf planet，冥王星是最有名的一个），此外还有许多彗星以及更小的、被称作小行星和流星的岩石块（见图1-4）。在距离太阳由近到远的行星排序中，地球处在第三位上。土星是第六位行星，它有一个美丽的光环，在电影中是很重要的角色（见第14章）。

太阳系比太阳大1000倍，即使是光也需要11个小时才能穿越它。距离太阳最近的恒星，是位于半人马座的比邻星（Proxima Centauri），它距离我们4.24光年，比我们与太阳系的距离还要大2 500倍！在第12章，我将探讨遥远距离为星际旅行带来的麻烦。

恒星的死亡：白矮星、中子星和黑洞

太阳和地球大约有45亿年历史，这约为宇宙年龄的1/3。再过大约65亿年，太阳将会燃尽它内部的核燃料。然后，它将会燃烧内核表层的燃料，它的外层面将开始膨胀，期间会把地球烤干并包裹起来。当这部分燃料也耗尽时，它便开始塌缩为一颗与地球大小差不多的白矮星，但是密度要比后者大100万倍。白矮星会逐渐冷却，再过几百亿年以后会变成一颗致密的、无光的死星。

那些质量比太阳大很多的恒星燃烧得非常快，之后可能会塌缩成一颗中子星或一个黑洞。

中子星的质量一般是太阳质量的1~3倍，周长大约为75~100千米（与芝加哥的大小差不多），密度和原子核的密度一样大，达到了100万亿倍岩石或者地球的密度。实际上，中子星基本上纯粹是由原子核构成的：一个挨着一个。

黑洞（见第4章）却不一样。它们完全是而且仅仅是由弯曲的时间和弯曲的空间构成的（我会在第3章解释这个奇怪的论断）。它们不包含物质，但是却有表面，被称作“事件视界” ，或简称“视界”。没有东西可以逃离它们，甚至光。这也是它们之所以如此漆黑的原因。黑洞的表面积和质量成正比：质量越大，表面积越大。

一个黑洞如果有一颗典型的中子星或白矮星的质量（一般来说大约是1.2倍太阳质量），那么它的周长将会是22千米：这个值是中子星的1/4，白矮星的千分之一（见图1-5）。

因为一般恒星的质量不会超过100倍的太阳质量，变成黑洞的恒星也是如此。

星系中心巨型黑洞的质量可以达到100万甚至200亿倍太阳质量。因此，它们不可能是恒星死亡后的产物。它们的形成过程有其他方式，也许源自于许多小黑洞的聚和，也许源自于巨大的气体云的塌缩。

宇宙中的电场、磁场与引力场

由于磁力线（magnetic force line）在宇宙中扮演了重要角色，并且在电影《星际穿越》中也很重要，所以在我们进入电影的具体科学内容前，先来谈谈磁场。

当你试着把两块磁铁的北极对到一起时，它们的磁力线就会相互排斥。虽然在两块磁铁之间看不到什么，但是你能感觉到它们之间的斥力。磁悬浮就是利用了这个原理，它可以使被磁化了的物体，甚至是一列火车，都悬浮在空中（见图1-7）。

地球也有两个磁极：一个南磁极，一个北磁极。磁力线从南磁极出发，绕过地球进入北磁极（见图1-8）。这些磁力线会影响罗盘的指针，就像它们会影响纸片上的铁屑一样，使得指针尽可能地指向磁力线的方向。这就是罗盘运作的原理。

地球的磁力线能够通过北极光显现（见图1-9）。从太阳发出的质子，在经过地球时，被地球磁场捕获，并沿着地球磁场穿过大气层。这些质子与氧原子、氮原子相互碰撞，并使之发出荧光，这就是北极光。

中子星拥有非常强的磁场，它们的磁力线与地球的很像，并形成了类似于甜甜圈的形状。高速运动的粒子会被中子星的磁场捕获。它们发出光，显现出磁力线，并产生了如图1-10所示的蓝色光环。有些粒子被从磁场的两极喷射出来，形成了两束强烈的喷流。这些喷流中有各种类型的辐射：伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和射电辐射（radio waves）。由于星体本身的自转，它的喷流快速地划过了中子星上方的天空，像探照灯一样。 每当这个喷流扫过地球所在的天区时，天文学家就可以观测到一个脉冲信号，因此天文学家给它们起了另外一个名字：脉冲星（pulsar）。

除了磁场外，宇宙中还存在着一些其他类型的场（即其他类型力线的总和）。其中的一个例子是电场（电力线的组合，导线里的电流就是被电场驱动的）；另外一个例子是引力场（引力线的组合，我们总是被引力拉回地球表面）。

地球的引力线沿着径向指向地球，并且它们总是把其他物体拉回地球表面。引力的强度正比于引力线的密度（通过某一固定截面内引力线的数量）。因为引力线都是指向地球内部的，所以它们通过的截面是逐渐减小的（见图1-11中由红点围成的圈），因此引力线的密度越向下越大。也就是说，地球的引力沿着引力线的方向增大，并且以1 /（红点围成的圈的面积）的速度变化。

由于这些圈的面积正比于它们到地心距离r的平方，所以地球的引力以1/r 2 的量级增强。这就是牛顿的平方反比引力定律（inverse square law）——一个基础物理定律。而基础物理定律正是电影《星际穿越》中布兰德教授的探寻激情所在，也是其中科学现象的基础。我们在之后的章节中将会谈到。