在電影里呈現蟲洞和黑洞——《星際穿越》背後的科學故事

一個白熱的物質環圍繞著黑洞形成一個球形的大渦流，看起來好像在上面和下面同時彎曲過來。這是影片《星際穿越》中所呈現出的黑洞，它正以接近光速的速度進行著旋轉，同時其巨大的引力拖拽著周圍的時空並一起運動。而這幅黑洞的影像可以說很接近現實。

幾乎不可能的電腦特效

2014年底上映的好萊塢科幻大片《星際穿越》，講述的是一隊探險家利用新發現的蟲洞，在廣袤的宇宙中進行星際航行的故事。

關於黑洞和蟲洞，我們在數學上、或者在科普寫作中都有了很多表達，但基於科學理論的、直觀的影像呈現，這部影片是第一個嘗試的。為了保證銀幕上黑洞和蟲洞的真實性，影片製作方請來了大名鼎鼎的黑洞和蟲洞研究專家基普·索恩作為科學顧問。

電影製作者所提出的故事是在一個遙遠的未來，氣候變化影響到農業,大部分農作物無法種植，地球上只剩下玉米一種糧食可以種植,人類處在滅絕的邊緣。一位退役的宇航員被徵召來進行最後一次的飛行，一個不顧一切的嘗試，去尋找新的可適宜居住的星球來拯救人類的命運。

然而我們都知道，其他的恆星離地球都非常非常遠，距離最近的比鄰星離我們大約有4.22光年，而遠的可達數百億光年。即使以接近光的速度去抵達比鄰星，都要花費好幾年的時間，更遑論其它星球？那麼，怎樣才能實現真正的星際旅行呢？其實早在1983年，著名科普作家卡爾·薩根所寫的小說《接觸》（後來拍成了電影《超時空接觸》）就面臨著同樣的問題，當薩根把這個困惑告訴好友索恩時，索恩認為人類真要想進行星際旅行，只能走捷徑、抄近道，他建議可以利用蟲洞，一個通過高維時空來連接宇宙中兩個點的假想的快捷通道。

如今，《星際穿越》中的宇宙航行仍然需要蟲洞。不過這次，作為《星際穿越》執行製片人的索恩得需要幫助電影製作者們解決一個很具體的難題——如何科學準確地在銀幕上呈現出蟲洞。

這並不是電影特效團隊所頭疼的唯一物理學問題。《星際穿越》的故事是基於時間膨脹效應——時間對於不同角色來說流逝的速度不一樣。為了使電影中時間膨脹效應變得更加科學合理，索恩認為需要一個大質量的黑洞——在電影里被叫做「卡岡圖雅」——並以接近光速來旋轉。作為這部影片的導演，克里斯托弗·諾蘭完全不知道黑洞是什麼樣子。好在有索恩的幫助，《星際穿越》呈現出了一個與現實十分接近的蟲洞和黑洞。

極為壯美的蟲洞和黑洞

《星際穿越》擁有一個超過30名電腦專家的電腦特效團隊，這個團隊的帶頭人富蘭克林曾獲得過奧斯卡最佳視覺效果獎。現在為了製作出完美的銀幕效果，他們搬來了數千台電腦，在索恩的指導下，開始了黑洞和蟲洞的銀幕製作。

蟲洞和黑洞的呈現都跟其附近光的彎曲有關，因為黑洞和蟲洞都具有巨大的引力，經過其附近的光線不可避免發生彎曲。以前的電影製作人通常用一種被稱為「光線跟蹤」的技術來處理宇宙科幻大片中的光線和反射，但這種光線跟蹤軟體通常的合理假設是光線總是走直線的，而黑洞和蟲洞，是宇宙中的極端現象，光線是要走彎路的。因此，電腦特效團隊不得不重新編譯一個新的渲染軟體，他們請求索恩算出一些方程來使得他們的特效軟體如同真實的物理定律那樣描述世界。

索恩把答案給了富蘭克林，不過是以大量的研究備忘錄形式給了他們。文章十分長，來源詳實，充滿了公式，它們看起來更像學術論文。電腦特效團隊根據這些公式編寫進新的渲染軟體里，然後開始去「紡織」出蟲洞。當結果呈現出來後，它看起來像一個在宇宙映照出的水晶球，一個時空中的球形洞。

在成功地表現出蟲洞之後，特效團隊準備嘗試用同樣的辦法去處理黑洞。但是黑洞如同它的名字一樣，是光線的末日——所有的光線都會被黑洞吞噬。連光線都沒有了，如何才能生動地呈現出黑洞？事實上，一個最普通的黑洞看起來就像一個漆黑的盤子，唯一有趣的地方是它扭曲了周圍星空的背景圖像。諾蘭十分希望特效團隊能把黑洞是球形的體現出來，富蘭克林想到，可以把黑洞套上一個吸積盤（一種由彌散物質組成的、圍繞黑洞轉動的盤狀結構）。

根據索恩的公式，特效團隊嘗試著做了一個不太準確的樣本。他們製作了一個水平的多彩光環——一種類似吸積盤的圖像，然後把它放在電腦里的旋轉黑洞上。一個非常非常奇怪的事情發生了——在根據數學方程精心製作出來的軟體中，黑洞周圍彎曲的空間同時也彎曲了吸積盤，光線產生了以個非同尋常的光圈。

最終的效果終於出來了：當光線被困在黑洞周圍時，在黑洞的黑影周圍產生令人意想不到的複雜圖案——白熱的吸積盤出現在黑洞的上面、下面和前面，它看起來就像是一個碟子，那是星光彎曲造成的圖像（見本文題圖）。

基普·索恩看了看在他幫助下製造出的黑洞，然後想了想說，「那就對了，那就是它該有的模樣。」電影特效最終呈現的圖像，正是索恩所認為的最真實的黑洞圖像，而對於那些《星際穿越》的觀眾來說，他們看到電影中的這些影像——蟲洞、黑洞以及怪異的光線後，會說，「哇噢！那個真美。」

是的，它們不僅美麗，而且還很真實。

為藝術而做的妥協

最後，我們要強調一下，儘管《星際穿越》里的黑洞是很真實地展現出來了，但嚴格來說並不是真正的精確。事實上一些其他的效應被忽略了。如果把它們都考慮進去的話，旋轉黑洞的吸積盤的一側會更亮且呈現藍色，另一側則更暗且呈現紅色。最終，吸積盤看起來很不對稱。但是電影特效團隊認為這可能會導致廣大電影觀眾一頭霧水，而且缺乏震撼性，所以為了藝術性，他們忽略了這個效應。

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