One of Einstein's great insights was the space and time were related to each other where you have space and you have time. Einstein says, "Actually there's only one thing which we call space-time." And then he says, "This space-time thing, it's not just the stage on which all the action plays out. It's an actor itself." Space-time can change, it can move, it can bend, and it can warp.

Einstein's theory of relativity states that space-time is like a flexible fabric. The objects embedded in it: the sun, planets, even us, warp that fabric. And the consequence of that warping is what we call gravity. The more massive the object, the more space-time is warped and the greater the gravity. The greater the gravity, the more slowly time flows.

Motion also affects our experience of space-time.

Kip Thorne在《The Science of Interstellar》的紀(jì)錄片里說(shuō)，這次對(duì)蟲(chóng)洞和黑洞的可視化，夠他寫(xiě)2篇論文了。然后我就一直在找他寫(xiě)的那2篇論文。

在紀(jì)錄片里，有一篇叫做《Warmhole Lensing Length and Diameter》的論文的打印稿一閃而過(guò)，是他本人作為唯一作者寫(xiě)于2014年5月19日的。很可惜，這篇論文我在網(wǎng)上未能找到。哪位好人找到麻煩告知一下……

不過(guò)最近發(fā)現(xiàn)了貌似就是Kip Thorne所指的這2篇論文，大家可以下載來(lái)看。

黑洞可視化的論文是他于2015年2月16日上傳到arXiv.org的《Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar》。論文的鏈接是：http://arxiv.org/abs/1502.03808

蟲(chóng)洞可視化的是他于2015年2月16日上傳到arXiv.org的論文《Visualizing Interstellar's Wormhole》。論文的鏈接是：http://arxiv.org/abs/1502.03809

這2篇論文的關(guān)鍵內(nèi)容我在這里簡(jiǎn)要意譯下：

【黑洞可視化的】

他們做了一個(gè)特殊的渲染器叫做DNGR，全稱(chēng)Double Negative Gravitational Renderer。Double Negative可不是什么物理學(xué)名詞，其實(shí)是為《Interstellar》做視覺(jué)特效的團(tuán)隊(duì)，他們的官網(wǎng)是 http://www.dneg.com/ 。

論文的第一塊描述這個(gè)DNGR。首先他們有一些光線追蹤（Ray Tracing）的考量點(diǎn)，然后他們對(duì)一簇光（嗯，我一直以為這個(gè)詞應(yīng)該是個(gè)文藝詞，但其實(shí)也算個(gè)專(zhuān)有名詞了：Ray-Bundle (Light-Beam) ）的傳播做了一些處理，然后還有一些華麗的濾鏡。

第二塊介紹了在可視化中所用的方程，來(lái)計(jì)算在處于Kerr黑洞附近任意位置、任意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的攝像頭看來(lái)，光源（即黑洞周?chē)l(fā)光的東西比如吸積盤(pán)什么的、背后的宇宙星空）會(huì)變成什么樣子。

第三塊算是點(diǎn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。之前的其他論文都考慮在很遠(yuǎn)的地方，黑洞“看”起來(lái)啥樣，這是為了在地球上通過(guò)各種發(fā)射到太空里的望遠(yuǎn)鏡“看見(jiàn)”黑洞，然后拿來(lái)研究。（這里的看不是直接看黑洞，畢竟黑洞是黑的嘛，這里更多的是像看鏡子里的看，因?yàn)楹诙淳拖褚粋€(gè)引力透鏡。）《The Science of Interstellar》紀(jì)錄片里的“黑洞獵手”就需要那種（很遠(yuǎn)的）論文。但這次《Interstellar》是拍電影啊，當(dāng)然要近距離看，于是推演著推演著方程，就有一些新的發(fā)現(xiàn)。

粗略地看了下，論文主要討論了：不旋轉(zhuǎn)的黑洞近觀如何，高速旋轉(zhuǎn)的黑洞近觀如何（其中又分為幾塊特征迥異的區(qū)域），以及攝像頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)帶來(lái)的影響。具體還沒(méi)細(xì)看。

第四塊就是吸積盤(pán)的可視化。嗯，近觀黑洞周?chē)芙臇|西。摘要中說(shuō)，這個(gè)沒(méi)什么新東西，但在教學(xué)法上可能有啟發(fā)（may find it pedagogically interesting）。（后面還有句吸積盤(pán)菜鳥(niǎo)和電影粉絲會(huì)覺(jué)得有意思我就不翻譯了……^_^）。

黑洞的吸積盤(pán)是在腰部，但吸積盤(pán)在黑洞后的部分呢，因?yàn)樗蛏戏?、下方發(fā)的光，都給黑洞扭到前面來(lái)了，所以黑洞看起來(lái)頭上有個(gè)帽子，下面有個(gè)小點(diǎn)的裙子。其實(shí)我真的覺(jué)得電影里不算非常好看（雖然他們拿正兒八經(jīng)的方程算了好多TB幾乎上PB的數(shù)據(jù)）。然后紅移效應(yīng)電影又怕觀眾看了莫名其妙而沒(méi)展現(xiàn)（我真的不明白怕啥，相比色變，形變普通觀眾其實(shí)更莫名其妙好吧）。

這里面主要就是形變（引力透鏡效應(yīng)）、色變（頻移）、亮變（頻移），然后（65 毫米 IMAX的）攝像頭那個(gè)鏡頭的光暈也會(huì)變（考慮得真細(xì)，但我看電影的時(shí)候沒(méi)留意這塊）。這里因?yàn)椴皇切聳|西，更多是在分享團(tuán)隊(duì)嘗試了多種不同參數(shù)組合的情況下，分別出來(lái)什么樣子，以及一些處理的細(xì)節(jié)。

然后就到結(jié)語(yǔ)了。結(jié)語(yǔ)后面的附錄A里面才是那些用到的公式，還有DNGR的一些細(xì)節(jié)，比如它是個(gè)C++寫(xiě)的CLI（命令行工具）。

【蟲(chóng)洞可視化的】

論文開(kāi)頭先潑冷水，大意是自然形成或者人造一個(gè)可穿越的蟲(chóng)洞從已知的物理學(xué)來(lái)看，可能性還是相當(dāng)渺茫的。這個(gè)其他地方大家可能都了解過(guò)了，主要是穩(wěn)定性問(wèn)題、大小問(wèn)題還有一些次生反應(yīng)問(wèn)題。共識(shí)是需要負(fù)能量來(lái)維系。

然后又介紹了下黑洞可視化那篇論文，接著就說(shuō)蟲(chóng)洞其實(shí)比黑洞好可視化，而且更適合上廣義相對(duì)論基礎(chǔ)課程的同學(xué)們來(lái)學(xué)。

第2節(jié)開(kāi)頭先介紹了一種叫Ellis蟲(chóng)洞的比較簡(jiǎn)單的蟲(chóng)洞來(lái)入門(mén)。然后說(shuō)諾蘭想看看不同形狀的蟲(chóng)洞看起來(lái)有什么差異。關(guān)于這一點(diǎn)，推薦大家看下這個(gè)鏈接（ http://mreadz.com/new/index.php?id=338999&pages=25 ） ，里面有段比較好懂的介紹。（我會(huì)告訴大家這里面其實(shí)有《The Science of Interstellar》的全文么？）

所以為了看各種蟲(chóng)洞，就需要一些可以調(diào)節(jié)的參數(shù)。他們用的蟲(chóng)洞模型有3個(gè)參數(shù)：多長(zhǎng)，口開(kāi)多大，以及有多柔軟。（標(biāo)準(zhǔn)的翻譯大家還是去看原文吧，這里是感性意譯。）

然后諾蘭有要求主角們的飛船能在蟲(chóng)洞附近開(kāi)一會(huì)，這樣觀眾能近觀一會(huì)蟲(chóng)洞。所以需要算個(gè)軌道。一算發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞還需要考慮一個(gè)因素就是額外的引力，一算大約地球重力那個(gè)級(jí)別。

第3節(jié)是最引人入勝的?！禝nterstellar》應(yīng)該是首個(gè)把蟲(chóng)洞按照球狀來(lái)展現(xiàn)的科幻電影（如果不對(duì)請(qǐng)指正）。這個(gè)球像水晶球一樣，那么透過(guò)水晶球看到的應(yīng)該是什么呢？其實(shí)對(duì)面的水晶球的球面，就像我們?cè)诘厍虮砻嬉粯?，收到的是?duì)面的整個(gè)星空天球的光。這些光進(jìn)了蟲(chóng)洞，穿越過(guò)來(lái)，就又從這邊的水晶球的球面發(fā)出來(lái)。因此，蟲(chóng)洞這個(gè)水晶球，看起來(lái)就是對(duì)面那邊的天球。

這里面有一個(gè)我非常關(guān)注的點(diǎn)，就是他們?cè)谙x(chóng)洞里的時(shí)候所看到的景象。我在看電影的時(shí)候，（因?yàn)闆](méi)有任何經(jīng)驗(yàn)或理性來(lái)佐證），感覺(jué)不太真實(shí)，（這只是感覺(jué)），所以特別想知道，具體是怎么算出這個(gè)景象的。而且由于電影中其實(shí)沒(méi)有展現(xiàn)星空天球的全貌（展現(xiàn)了我也沒(méi)感性認(rèn)識(shí)），所以很想用同樣的算法，假設(shè)對(duì)面的天球就是我熟識(shí)的某個(gè)日常物品——比如一個(gè)電話機(jī)。

第3節(jié)就提供了這個(gè)算法的基本精神。具體算法和公式在附錄A。所以好想趕緊寫(xiě)碼算一下。

當(dāng)然算法這里就有很多物理細(xì)節(jié)。并不是說(shuō)，一定是個(gè)1:1的映射，而是有很多扭曲。最美的自然是1:1的映射，視覺(jué)上肯定想要類(lèi)似的效果。這里有一些調(diào)試取舍，論文第4節(jié)展開(kāi)介紹了相關(guān)內(nèi)容。大體上主要產(chǎn)生影響的還是那3個(gè)參數(shù)：多長(zhǎng)，口開(kāi)多大，以及有多柔軟。論文主要討論的是多長(zhǎng)和多柔軟這2個(gè)因素，有一些很漂亮的效果圖的對(duì)比。

第5節(jié)介紹的是中選擇的蟲(chóng)洞參數(shù)（A段），以及中的星空天球（B段，星空高清圖可到 http://www.dneg.com/dneg_vfx/wormhole/ 自取 ），還特別介紹了The Einstein Ring （愛(ài)因斯坦環(huán)）。

這個(gè)要展開(kāi)介紹一下。大家是否發(fā)現(xiàn)電影里那個(gè)蟲(chóng)洞，不是直接像個(gè)實(shí)心的水晶球，而像一個(gè)空心的。在它的周?chē)芙牡胤?，仿佛還有一層薄薄的光學(xué)效應(yīng)。拉進(jìn)來(lái)看（論文中有圖），就是感覺(jué)蟲(chóng)洞邊緣不遠(yuǎn)處，有一個(gè)環(huán)，像水晶一樣扭曲了光。其實(shí)是因?yàn)槟菑母浇?jīng)過(guò)的一簇星光，攝像頭會(huì)看成兩簇，一簇在環(huán)內(nèi)，一簇在環(huán)外。環(huán)本身那條線上，沒(méi)有星光。（這段描述來(lái)自對(duì)論文那段話的翻譯，若有誤請(qǐng)專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)指正，之前沒(méi)怎么了解過(guò)愛(ài)因斯坦環(huán)。尤其最后1句，我是來(lái)自對(duì)圖像直接的觀察。）

但從維基等百科看，其實(shí)愛(ài)因斯坦環(huán)還有很多其他更美麗的表現(xiàn)形式。它是引力透鏡的一種，它產(chǎn)生于一種觀察者、引力透鏡和引力透鏡后的那個(gè)發(fā)光體對(duì)得很齊的情況，于是本來(lái)會(huì)被引力透鏡變成引力透鏡周?chē)?個(gè)幻象的發(fā)光體，被對(duì)稱(chēng)性地變成了一個(gè)環(huán)。


第6節(jié)令我很悲傷。它里面說(shuō)的是，如果真的實(shí)打?qū)嵱?jì)算人穿越蟲(chóng)洞看到的景象，有點(diǎn)像在放大蟲(chóng)洞并聚焦在蟲(chóng)洞的中心。論文中有一些實(shí)打?qū)嵥愠鰜?lái)的圖片。這樣子觀眾會(huì)覺(jué)得人們還在很遠(yuǎn)的地方，只是在放大而已。諾蘭覺(jué)得這樣沒(méi)穿越的feel（嗯，我也覺(jué)得好失望），于是（這段話我決定貼下英文原句）：

Nolan asked the visual effects team to convey a sense of travel through an exotic environment, one that was thematically linked to the exterior appearance of the wormhole but also incorporated elements of passing landscapes and the sense of a rapidly approaching destination. The visual effects artists at Double Negative combined existing DNGR visualisations of the wormhole’s interior with layers of interpretive effects animation derived from aerial photography of dramatic landscapes, adding lens-based photographic effects to tie everything in with the rest of the sequence. The end result was a sequence of shots that told a story comprehensible by a general audience while resembling the wormhole’s interior, as simulated with DNGR.

翻譯過(guò)來(lái)是（我就是隨便意譯，哪位高人幫我潤(rùn)色一下）：

諾蘭讓視效團(tuán)隊(duì)傳遞一種穿越奇異（exotic原義是異域風(fēng)情）環(huán)境的感覺(jué)，具體來(lái)講就是，將蟲(chóng)洞外觀主題（大家想象微信聊天背景那種主題）、途經(jīng)景觀地貌（想起了開(kāi)著途觀穿越大草原的感覺(jué)）的元素還有快速接近目的地的感覺(jué)整合在一起。于是Double Negative的視效藝術(shù)家們，將通過(guò)DNGR可視化出來(lái)的蟲(chóng)洞內(nèi)部景象，加上一層層的從針對(duì)劇變景觀的航拍借鑒而來(lái)的輔助理解的特效動(dòng)畫(huà)（這段譯得真累，我的半猜半理解就是飛機(jī)上拍東西，變化很快，飛來(lái)飛去鏡頭晃來(lái)晃去不好看懂啥情況，為了便于觀眾理解，會(huì)加一些輔助性的特效——你能想象我google “interpretive effect”最前面的都是什么計(jì)算機(jī)幫忙在癌癥的掃描圖像上標(biāo)輔助線么……），再加上基于鏡頭的攝像學(xué)特效，將這一切與其余的真的實(shí)打?qū)嵞M出來(lái)的穿越蟲(chóng)洞看到的景象的動(dòng)畫(huà)序列連接在一起。最終結(jié)果是一系列重組了DNGR模擬出來(lái)的蟲(chóng)洞內(nèi)部景象的鏡頭，向大眾講述了一個(gè)可理解的故事。

所以原來(lái)諾蘭電影關(guān)于穿越蟲(chóng)洞內(nèi)部的影像是高度藝術(shù)化過(guò)了的物理……哭……我還是太天真了……

the science of interstellar
紀(jì)錄片是discovery拍攝的。
電影分級(jí)TV PG

the foundation of this film are ruled in real science.
Kip thorne（1940～）
California Institute of Technology

1開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡
羅森布拉特最早提出構(gòu)想，1984年博魯茨基重新研究這個(gè)思想，并決定實(shí)現(xiàn)它。1992年第一次提出項(xiàng)目，四次被拒，2009年發(fā)射。
功能：捕捉地外行星的凌日現(xiàn)象。
技術(shù)：CCD（感光耦合元件）

2宜居帶circumstellar habitable zone：行星系中適合生命存在的區(qū)域。太陽(yáng)系中這個(gè)范圍是距離恒星0.99～1.70天文單位（地球和太陽(yáng)的距離就是1個(gè)天文單位）。

3開(kāi)普勒16b 首顆圍繞雙星系統(tǒng)存在的行星。（二體？）
PH1，存在于一個(gè)四恒星系統(tǒng)，它是從開(kāi)普勒觀察的數(shù)據(jù)中找到的，發(fā)現(xiàn)者是民間科研愛(ài)好者。
開(kāi)普勒9有兩個(gè)行星，9a和9b。

4開(kāi)普勒10b，最像地球，半徑是地球的1.4倍，質(zhì)量是地球的4.6倍。但是因?yàn)殡x它的恒星太近，他的表面都是液態(tài)的海洋——熔巖。
首顆太陽(yáng)系外巖石行星

5開(kāi)普勒186f，圍繞紅矮星旋轉(zhuǎn)，距離地球492ly。
紀(jì)錄片提出問(wèn)題，既然找到了這些可以生存的星球，我們?cè)趺慈ィ?br>
6解釋空間和時(shí)間：actually they are one thing，spacetime。
那個(gè)引力扭曲的時(shí)空模型跟高中時(shí)看的加萊道雄講的一樣（都是把質(zhì)量對(duì)空間的扭曲比喻成一個(gè)桌布一樣的存在）。

7相對(duì)論的雙生子實(shí)驗(yàn)（twin paradox）：1905愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論，1911郎之萬(wàn)（larngevin）首先提出雙生子佯謬問(wèn)題。
涉及到時(shí)間延緩效應(yīng)：在靜止參照系中觀測(cè)，運(yùn)動(dòng)參照系中發(fā)生的物理事件進(jìn)程變慢了，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)樵陟o止參照系中觀測(cè)到的光路比運(yùn)動(dòng)參照系中觀測(cè)到的光路延長(zhǎng)了。

8wormhole
kip拿著一個(gè)蘋(píng)果舉例。
那么wormhole長(zhǎng)什么樣呢？
第一個(gè)水管樣的畫(huà)被kip否決了。
最后做出來(lái)的像個(gè)cristal ball。

9blackhole
科學(xué)家通過(guò)在夏威夷的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，在center of milkyway，the stars curve的現(xiàn)象，于是通過(guò)多年的觀察，研究出了這些星體與決定的軌跡，得出結(jié)論：在銀河系的中心，存在著一個(gè)巨大的黑洞。

10the big bang theory

11bicep2 ：這是一個(gè)太空研究項(xiàng)目，似乎設(shè)在南極，但是沒(méi)有聽(tīng)懂這一段。

12西伯利亞車(chē)?yán)麃啽笏伎苹鹆餍?，意味著有一日人?lèi)可能像恐龍一樣滅絕掉，突出逃離地球的主題。

13earth can not stand us forever
唯一給出的兩個(gè)有字的畫(huà)面，一個(gè)是有“南海水泥”四個(gè)大字的工廠，另一個(gè)是中國(guó)的擁擠的馬路。囧

14Atlantis飛船： 被采訪的宇航員這樣說(shuō)道她在外空看見(jiàn)地球的心情：black sky and blue earth will hit you at the point.

15spacex公司：可以通過(guò)循環(huán)利用的火箭大大減低太空運(yùn)輸?shù)某杀尽?elon musk是其創(chuàng)始人，他同時(shí)也是PayPal和特斯拉電動(dòng)汽車(chē)的創(chuàng)始人。
公司采用商業(yè)現(xiàn)貨（cots）技術(shù)，精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，提高性能。


參考：
1開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡：一個(gè)被否決四次的項(xiàng)目 蔣訊
2開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡的十大發(fā)現(xiàn) 楊孝文
3對(duì)雙生子佯謬問(wèn)題的幾種解釋 呂嫣（沈陽(yáng)師大）
4時(shí)間延緩效應(yīng)的理論解釋與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 劉文?。ń瓭h大學(xué)物理與信息工程學(xué)院）
5論時(shí)間延緩效應(yīng)的教學(xué) 羅譚（思茅師范高等專(zhuān)科學(xué)校）
6探究美國(guó)spaceX公司的發(fā)展與成功 周一鳴（北京空間科技信息研究所）

科學(xué)不僅推動(dòng)世界進(jìn)步，也激發(fā)永遠(yuǎn)藝術(shù)的幻想。
藝術(shù)關(guān)于永恒也關(guān)于變化，并因此永恒地活著。
電影的誕生便是科學(xué)的結(jié)果，現(xiàn)代藝術(shù)脫離寫(xiě)實(shí)的起步也要感謝科學(xué)，照相術(shù)承擔(dān)了寫(xiě)實(shí)的任務(wù)，解放了被禁錮的藝術(shù)。
藝術(shù)與科學(xué)共生的所產(chǎn)生的想象力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藝術(shù)與現(xiàn)實(shí)生活的共生所帶來(lái)的東西。前者可能是無(wú)比迷人、充滿驚喜的，后者可能是不斷循環(huán)不變的庸俗魔比斯環(huán)。
科學(xué)與藝術(shù)的永恒之舞在天朝是缺席的，所以就算技術(shù)可以了了，天朝也拍不出真正的科幻片。
天朝因?yàn)槿狈ο胂罅Γ砸磺卸紱](méi)變化，并因此懼變化，以至于懼怕想象力。一切東西都被現(xiàn)實(shí)的引力拉的死死，天朝的想象力可能早就死了，還有人不斷地去踩踏可能燃燒的火苗，因?yàn)檫@讓他們感覺(jué)不安全。