史上最威科幻電影,《星際效應》教你什麼是蟲洞、黑洞!

TO 導讀:最近在臺灣剛上檔的電影《星際效應 》(Interstellar),片中時空設定為地球受到重度汙染,人類需往外太空移居,才不至於滅絕,布蘭德教授向主角庫珀表示他們於土星星系內發現了一個蟲洞,認為這是外星生命體為拯救人類而希望人類能利用它到達另一遙遠的星系定居,而展開的一系列太空冒險故事。劇中也運用到黑洞數據,推算人類所需的​重力方程式。

可能一般人對於劇情不會深究,但理論物理學家 Kip Thorne 同時又是本片的技術指導, 看到的肯定跟普通觀眾不一樣。劇中一閃而逝的黑洞,堪稱電影史上最準確,看似簡單的畫面,卻是​由一組三十人和數以千計的電腦一年的工作成果,在電影中鄭重亮相。導演 Christopher Nolan 執導這部太空探險電影,他懂精彩的畫面該如何呈現,配合 ​Thorne 看見事實的本領,擦出合作的火花,即使這只是故事中的黑洞,也可以扭轉你對它的認知。

​Thorne 雖然不是專業的天文學家,他在退休前,興趣是向大眾解釋相對論的主要概念。那段時間認識了製片人 Lynda Obst,二人開始討論製作一部關於黑洞和蟲洞的電影。

編劇 Jonathan Nolan 寫好劇本後,由專門執導劇情複雜的電影,如《記憶拼圖》、《全面啟動》和《蝙蝠俠》的著名導演 Chris Nolan 加入拍攝,重寫劇本時,Chris 想把科學作為這部電影的核心,因為開始了和 Thorne 的合作。

2013 年年初,Thorne 和 Chris 將製作的重點擺在物理學家所說的「宇宙的扭曲面」—扭曲的時空、在現實面上的洞、引力扭曲光線的原理。Thorne 表示︰「整部戲的靈魂以及科學題材電影的目的,是為了讓觀眾在短時間內認識科學的偉大之處 。」

Christopher Nolan 和 Kip Thorne 為 WIRED 帶來《星際效應》中的黑洞製作的獨家影片 ©2014 Paramount All Rights Reserved

故事背景被設定在一個農作物失收、人類面臨滅絕危機的時代。前太空人 Cooper (McConaughey) 被選上,嘗試在外太空尋找適合人類移居的地方。

當中有一個潛藏的問題—其他星體真的非常遠。要到其中一個最接近的星球也要數十年,人類根本到達不了。蟲洞,一個宇宙中可能存在的、連接著兩個不同時空的隧道,聽起來就是個不錯的選擇,蟲洞自然也在《星際效應》中出現。Thorne 和 Chris 在討論蟲洞的物理物質時,產生一個顯而易見的問題︰怎樣在銀幕上呈現出蟲洞的形態?

讓電影特效組頭痛的不只是物理學上的問題。故事中對時間的詳述︰不同角色時空以不同的速度流逝,也是很棘手的點。為了在科學上更可行,Thorne 跟 Chris 決定以一個更大的黑洞解決這個問題,而這黑洞就成為了電影中名為 Gargantua—一個接近光速的的黑洞。Nolan 不知道怎樣才能讓這個黑洞看起來更真實,於是找上視覺效果師 Paul Franklin 合作。

位於曾受過奧斯卡 肯定的特效公司  Double Negative 工作 , 動畫對 Franklin 來說絕對不是問題,但要避免和現實脫節卻很難

因此他叫 Thorne 設定算式,從而引導特效程式顯示出物理是如何管理真實世界。他們由蟲洞開始研究。假如圍繞蟲洞的光線不能如傳統所說的以直線行動,那結果會怎樣?怎樣可以用數學理論去描述?

研究大量科學報告後,有充足來源和算式作支持。Franklin 的製作團隊以這些基礎編寫了一套新的程式,模擬蟲洞,結果相當不錯。模型像是一顆顯示著宇宙的水晶球,像在時空中一個球體的洞。「科學小說經常想為宇宙加油添醋, 好像對現實中的宇宙很不滿意。」他說。


McConaughey 在電影中探討另一個世界。Thorne 用圖表解釋黑洞如何吸入光線。

有了繪製模擬蟲洞的成功經驗後,團隊更有信心,以相同方法繪製模擬黑洞。但黑洞之所以名為黑洞,當然不會存在任何光線。製片人常用一個名為「光線追蹤(Ray tracing)」,在圖片中製作光線。「但光線追蹤程式都是以光線直線行走為合理假設的,我們需要寫出一個最新的程式。」Double Negative 的動畫監督員 Eugénie von Tunzelmann 說。這完全是物理學的另一種類。

因為愛因斯坦的 引力透鏡效應(Gravitational lensing) 產生的複雜計算,有些單獨的畫面更需要多達 100 小時去製作。片尾更花了 800TB 的儲存量。Eugénie von Tunzelmann 說︰「我還以為我們在這一部分會用到 PB(Petabyte)儲存。」

Franklin 說︰「Chris 很想要表達出『黑洞是球狀』這個想法。我回應『這只會看起來像光碟』。你只能看到黑洞怎樣扭曲光線。」閱讀關於圍繞在黑洞軌道上的吸積盤(Accretion disks)和聚合物後,Franklin 找出解決方案:利用軌道上圍繞的垃圾來定義出這個球體。

Von Tunzelmann 做了一個很有趣的嘗試。她先製作出一個平面、彩色的環,作為吸積盤的替代品,再以此圍繞在模擬黑洞外。神奇的事發生了。Franklin 說︰「我們發現黑洞附近被屈曲的空間還會扭曲吸積盤。所以,除了那像土星環的吸積盤圍繞著黑洞,光線還會製造出這個特別的光暈。」

一開始 Double Negative 團隊以為一定是製作器出錯,但 Thorne 發現這才是數學算式的正確模型。

  • 電影教育大眾更準確的科學

當然,現實中沒有人會知道黑洞長怎樣,除非真的做出一個。模型中接近黑洞影子的地方,出現超乎意料的複雜指紋形狀,發光的吸積盤出現在黑洞的上面、下面和前面。Thorne 說︰「我從沒有預料到會達到這種神奇的成就。」

最後,劇中除了圖片很唯美之外,更能教育大眾比較真實、準確的科學,可以說是一趟科學發掘之旅。Thorne 指出電影「是觀察所得數據。」至少兩篇關於這個模型科學文章已經被刊登。

Thorne 很喜歡跟別人解釋黑洞碰撞,這種因旋轉星體而運動的空間,而產生時間扭曲,他運用會用很多和生活貼近的比喻,像是兩個撞在一起的龍捲風,但這樣的比喻總不太真實,觀眾只能知道那些現象像什麼。當觀眾看到《星際效應 》中的蟲洞、黑洞時,會不禁讚嘆它們的美麗。又因為這貼近現實的瞬間,而更顯意義非凡。

(資料來源︰WIRED;圖片來源︰WIREDnerd-wikiinsidescience

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