《星际穿越》中的科学

the science of interstellar
纪录片是discovery拍摄的。
电影分级TV PG

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

1开普勒空间望远镜
罗森布拉特最早提出构想，1984年博鲁茨基重新研究这个思想，并决定实现它。1992年第一次提出项目，四次被拒，2009年发射。
功能：捕捉地外行星的凌日现象。
技术：CCD（感光耦合元件）

2宜居带circumstellar habitable zone：行星系中适合生命存在的区域。太阳系中这个范围是距离恒星0.99～1.70天文单位（地球和太阳的距离就是1个天文单位）。

3开普勒16b 首颗围绕双星系统存在的行星。（二体？）
PH1，存在于一个四恒星系统，它是从开普勒观察的数据中找到的，发现者是民间科研爱好者。
开普勒9有两个行星，9a和9b。

4开普勒10b，最像地球，半径是地球的1.4倍，质量是地球的4.6倍。但是因为离它的恒星太近，他的表面都是液态的海洋——熔岩。
首颗太阳系外岩石行星

5开普勒186f，围绕红矮星旋转，距离地球492ly。
纪录片提出问题，既然找到了这些可以生存的星球，我们怎么去？

6解释空间和时间：actually they are one thing，spacetime。
那个引力扭曲的时空模型跟高中时看的加莱道雄讲的一样（都是把质量对空间的扭曲比喻成一个桌布一样的存在）。

7相对论的双生子实验（twin paradox）：1905爱因斯坦创立相对论，1911郎之万（larngevin）首先提出双生子佯谬问题。
涉及到时间延缓效应：在静止参照系中观测，运动参照系中发生的物理事件进程变慢了，其实质是因为在静止参照系中观测到的光路比运动参照系中观测到的光路延长了。

8wormhole
kip拿着一个苹果举例。
那么wormhole长什么样呢？
第一个水管样的画被kip否决了。
最后做出来的像个cristal ball。

9blackhole
科学家通过在夏威夷的望远镜发现，在center of milkyway，the stars curve的现象，于是通过多年的观察，研究出了这些星体与决定的轨迹，得出结论：在银河系的中心，存在着一个巨大的黑洞。

10the big bang theory

11bicep2 ：这是一个太空研究项目，似乎设在南极，但是没有听懂这一段。

12西伯利亚车利亚斌思科火流星，意味着有一日人类可能像恐龙一样灭绝掉，突出逃离地球的主题。

13earth can not stand us forever
唯一给出的两个有字的画面，一个是有“南海水泥”四个大字的工厂，另一个是中国的拥挤的马路。囧

14Atlantis飞船： 被采访的宇航员这样说道她在外空看见地球的心情：black sky and blue earth will hit you at the point.

15spacex公司：可以通过循环利用的火箭大大减低太空运输的成本。 elon musk是其创始人，他同时也是PayPal和特斯拉电动汽车的创始人。
公司采用商业现货（cots）技术，精简结构，提高性能。


参考：
1开普勒望远镜：一个被否决四次的项目 蒋讯
2开普勒天文望远镜的十大发现 杨孝文
3对双生子佯谬问题的几种解释 吕嫣（沈阳师大）
4时间延缓效应的理论解释与实验检验 刘文隆（江汉大学物理与信息工程学院）
5论时间延缓效应的教学 罗谭（思茅师范高等专科学校）
6探究美国spaceX公司的发展与成功 周一鸣（北京空间科技信息研究所）

Kip Thorne在《The Science of Interstellar》的纪录片里说，这次对虫洞和黑洞的可视化，够他写2篇论文了。然后我就一直在找他写的那2篇论文。

在纪录片里，有一篇叫做《Warmhole Lensing Length and Diameter》的论文的打印稿一闪而过，是他本人作为唯一作者写于2014年5月19日的。很可惜，这篇论文我在网上未能找到。哪位好人找到麻烦告知一下……

不过最近发现了貌似就是Kip Thorne所指的这2篇论文，大家可以下载来看。

黑洞可视化的论文是他于2015年2月16日上传到arXiv.org的《Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar》。论文的链接是：http://arxiv.org/abs/1502.03808

虫洞可视化的是他于2015年2月16日上传到arXiv.org的论文《Visualizing Interstellar's Wormhole》。论文的链接是：http://arxiv.org/abs/1502.03809

这2篇论文的关键内容我在这里简要意译下：

【黑洞可视化的】

他们做了一个特殊的渲染器叫做DNGR，全称Double Negative Gravitational Renderer。Double Negative可不是什么物理学名词，其实是为《Interstellar》做视觉特效的团队，他们的官网是 http://www.dneg.com/ 。

论文的第一块描述这个DNGR。首先他们有一些光线追踪（Ray Tracing）的考量点，然后他们对一簇光（嗯，我一直以为这个词应该是个文艺词，但其实也算个专有名词了：Ray-Bundle (Light-Beam) ）的传播做了一些处理，然后还有一些华丽的滤镜。

第二块介绍了在可视化中所用的方程，来计算在处于Kerr黑洞附近任意位置、任意运动状态下的摄像头看来，光源（即黑洞周围发光的东西比如吸积盘什么的、背后的宇宙星空）会变成什么样子。

第三块算是点科学发现。之前的其他论文都考虑在很远的地方，黑洞“看”起来啥样，这是为了在地球上通过各种发射到太空里的望远镜“看见”黑洞，然后拿来研究。（这里的看不是直接看黑洞，毕竟黑洞是黑的嘛，这里更多的是像看镜子里的看，因为黑洞就像一个引力透镜。）《The Science of Interstellar》纪录片里的“黑洞猎手”就需要那种（很远的）论文。但这次《Interstellar》是拍电影啊，当然要近距离看，于是推演着推演着方程，就有一些新的发现。

粗略地看了下，论文主要讨论了：不旋转的黑洞近观如何，高速旋转的黑洞近观如何（其中又分为几块特征迥异的区域），以及摄像头的运动状态带来的影响。具体还没细看。

第四块就是吸积盘的可视化。嗯，近观黑洞周围很近的东西。摘要中说，这个没什么新东西，但在教学法上可能有启发（may find it pedagogically interesting）。（后面还有句吸积盘菜鸟和电影粉丝会觉得有意思我就不翻译了……^_^）。

黑洞的吸积盘是在腰部，但吸积盘在黑洞后的部分呢，因为它向上方、下方发的光，都给黑洞扭到前面来了，所以黑洞看起来头上有个帽子，下面有个小点的裙子。其实我真的觉得电影里不算非常好看（虽然他们拿正儿八经的方程算了好多TB几乎上PB的数据）。然后红移效应电影又怕观众看了莫名其妙而没展现（我真的不明白怕啥，相比色变，形变普通观众其实更莫名其妙好吧）。

这里面主要就是形变（引力透镜效应）、色变（频移）、亮变（频移），然后（65 毫米 IMAX的）摄像头那个镜头的光晕也会变（考虑得真细，但我看电影的时候没留意这块）。这里因为不是新东西，更多是在分享团队尝试了多种不同参数组合的情况下，分别出来什么样子，以及一些处理的细节。

然后就到结语了。结语后面的附录A里面才是那些用到的公式，还有DNGR的一些细节，比如它是个C++写的CLI（命令行工具）。

【虫洞可视化的】

论文开头先泼冷水，大意是自然形成或者人造一个可穿越的虫洞从已知的物理学来看，可能性还是相当渺茫的。这个其他地方大家可能都了解过了，主要是稳定性问题、大小问题还有一些次生反应问题。共识是需要负能量来维系。

然后又介绍了下黑洞可视化那篇论文，接着就说虫洞其实比黑洞好可视化，而且更适合上广义相对论基础课程的同学们来学。

第2节开头先介绍了一种叫Ellis虫洞的比较简单的虫洞来入门。然后说诺兰想看看不同形状的虫洞看起来有什么差异。关于这一点，推荐大家看下这个链接（ http://mreadz.com/new/index.php?id=338999&pages=25 ） ，里面有段比较好懂的介绍。（我会告诉大家这里面其实有《The Science of Interstellar》的全文么？）

所以为了看各种虫洞，就需要一些可以调节的参数。他们用的虫洞模型有3个参数：多长，口开多大，以及有多柔软。（标准的翻译大家还是去看原文吧，这里是感性意译。）

然后诺兰有要求主角们的飞船能在虫洞附近开一会，这样观众能近观一会虫洞。所以需要算个轨道。一算发现虫洞还需要考虑一个因素就是额外的引力，一算大约地球重力那个级别。

第3节是最引人入胜的。《Interstellar》应该是首个把虫洞按照球状来展现的科幻电影（如果不对请指正）。这个球像水晶球一样，那么透过水晶球看到的应该是什么呢？其实对面的水晶球的球面，就像我们在地球表面一样，收到的是对面的整个星空天球的光。这些光进了虫洞，穿越过来，就又从这边的水晶球的球面发出来。因此，虫洞这个水晶球，看起来就是对面那边的天球。

这里面有一个我非常关注的点，就是他们在虫洞里的时候所看到的景象。我在看电影的时候，（因为没有任何经验或理性来佐证），感觉不太真实，（这只是感觉），所以特别想知道，具体是怎么算出这个景象的。而且由于电影中其实没有展现星空天球的全貌（展现了我也没感性认识），所以很想用同样的算法，假设对面的天球就是我熟识的某个日常物品——比如一个电话机。

第3节就提供了这个算法的基本精神。具体算法和公式在附录A。所以好想赶紧写码算一下。

当然算法这里就有很多物理细节。并不是说，一定是个1:1的映射，而是有很多扭曲。最美的自然是1:1的映射，视觉上肯定想要类似的效果。这里有一些调试取舍，论文第4节展开介绍了相关内容。大体上主要产生影响的还是那3个参数：多长，口开多大，以及有多柔软。论文主要讨论的是多长和多柔软这2个因素，有一些很漂亮的效果图的对比。

第5节介绍的是中选择的虫洞参数（A段），以及中的星空天球（B段，星空高清图可到 http://www.dneg.com/dneg_vfx/wormhole/ 自取 ），还特别介绍了The Einstein Ring （爱因斯坦环）。

这个要展开介绍一下。大家是否发现电影里那个虫洞，不是直接像个实心的水晶球，而像一个空心的。在它的周围很近的地方，仿佛还有一层薄薄的光学效应。拉进来看（论文中有图），就是感觉虫洞边缘不远处，有一个环，像水晶一样扭曲了光。其实是因为那从附近经过的一簇星光，摄像头会看成两簇，一簇在环内，一簇在环外。环本身那条线上，没有星光。（这段描述来自对论文那段话的翻译，若有误请专业认识指正，之前没怎么了解过爱因斯坦环。尤其最后1句，我是来自对图像直接的观察。）

但从维基等百科看，其实爱因斯坦环还有很多其他更美丽的表现形式。它是引力透镜的一种，它产生于一种观察者、引力透镜和引力透镜后的那个发光体对得很齐的情况，于是本来会被引力透镜变成引力透镜周围2个幻象的发光体，被对称性地变成了一个环。


第6节令我很悲伤。它里面说的是，如果真的实打实计算人穿越虫洞看到的景象，有点像在放大虫洞并聚焦在虫洞的中心。论文中有一些实打实算出来的图片。这样子观众会觉得人们还在很远的地方，只是在放大而已。诺兰觉得这样没穿越的feel（嗯，我也觉得好失望），于是（这段话我决定贴下英文原句）：

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.

翻译过来是（我就是随便意译，哪位高人帮我润色一下）：

诺兰让视效团队传递一种穿越奇异（exotic原义是异域风情）环境的感觉，具体来讲就是，将虫洞外观主题（大家想象微信聊天背景那种主题）、途经景观地貌（想起了开着途观穿越大草原的感觉）的元素还有快速接近目的地的感觉整合在一起。于是Double Negative的视效艺术家们，将通过DNGR可视化出来的虫洞内部景象，加上一层层的从针对剧变景观的航拍借鉴而来的辅助理解的特效动画（这段译得真累，我的半猜半理解就是飞机上拍东西，变化很快，飞来飞去镜头晃来晃去不好看懂啥情况，为了便于观众理解，会加一些辅助性的特效——你能想象我google “interpretive effect”最前面的都是什么计算机帮忙在癌症的扫描图像上标辅助线么……），再加上基于镜头的摄像学特效，将这一切与其余的真的实打实模拟出来的穿越虫洞看到的景象的动画序列连接在一起。最终结果是一系列重组了DNGR模拟出来的虫洞内部景象的镜头，向大众讲述了一个可理解的故事。

所以原来诺兰电影关于穿越虫洞内部的影像是高度艺术化过了的物理……哭……我还是太天真了……

卫星上的时钟比地面时钟每天要快38微秒。

一个有4亿倍太阳质量的超级黑洞就在银河系的中心。

每个类似银河系的星系都有一个巨型黑洞。

如果一个人掉进黑洞，就会被黑洞拉成一根面条，然后被摧毁。

《星际穿越》尽可能地与科学保持一致。

南极是可以进行测量的、离太空最近的区域。

6500万年前，一个直径6英里的小行星灭绝了一半的地球生物，包括我们熟悉的恐龙。

地球可能不能承受生命之重。

直到今天，已有600多人到过太空。

可能还需要数十年，甚至更久，才能殖民火星，或建立围绕地球的永久太空站。

科学与科幻结合，将埋下未来创造力的种子。

Space-time is not the stage on which all the actions plays out, it's the actor itself.

Einstein's Thoery of Reletivity:
Sean's demonstration: the more greater the grativity, the more slowly time flows.
The faster we move, the greater gravity field we will encounter. The less time we will spend.
If we move to outerspace, one hour equals seven years on earth. Time flows flaster, because we are losing gravity.

I looked up overhead and here was this black sky and this blue Earth. All hits you at that point,"I'am not on the planet anymore." And every astronaut who has flown has come back and said the same thing. As you circle the Earth you do not see natural borders and boundaries that separate the countries. And all of the wars and the angst and the strife that tear this planet apart seem so insignificant from that view.___Marsha Ivins