关于《Interstellar》里的黑洞与虫洞可视化的论文与其关键内容意译

KipThorne在《TheScienceofInterstellar》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《WarmholeLensingLengthandDiameter》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KipThorne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《GravitationalLensingbySpinningBlackHolesinAstrophysics,andintheMovieInterstellar》。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《VisualizingInterstellarsWormhole》。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DoubleNegativeGravitationalRenderer。DoubleNegative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（RayTracing）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。）《TheScienceofInterstellar》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（mayfinditpedagogicallyinteresting）。（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=338999pages=25），里面有段比较好懂的介绍。（我会告诉大家这里面其实有《TheScienceofInterstellar》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TheEinsteinRing（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）：Nolanaskedthevisualeffectsteamtoconveyasenseoftravelthroughanexoticenvironment,onethatwasthematicallylinkedtotheexteriorappearanceofthewormholebutalsoincorporatedelementsofpassinglandscapesandthesenseofarapidlyapproachingdestination.ThevisualeffectsartistsatDoubleNegativecombinedexistingDNGRvisualisationsofthewormhole’sinteriorwithlayersofinterpretiveeffectsanimationderivedfromaerialphotographyofdramaticlandscapes,addinglens-basedphotographiceffectstotieeverythinginwiththerestofthesequence.Theendresultwasasequenceofshotsthattoldastorycomprehensiblebyageneralaudiencewhileresemblingthewormhole’sinterior,assimulatedwithDNGR.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DoubleNegative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“interpretiveeffect”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……