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在电影《星际穿越》中，虫洞被认为是由极度发达的文明制造出来的，这个文明很有可能生活在超体中。在这个大前提下，奥利弗·詹姆斯和我开始着手从最底层构建一个可视化的虫洞——在这里，我们假装自己就是这个高度发达文明的工程师。
首先，我们假设物理定律是允许虫洞在宇宙中存在的；其次，假设虫洞的制造者们有足够的奇异物质来维持虫洞的连通；最后，假设这些虫洞的创造者们具有弯曲时间和空间的能力，并且无论是在虫洞内部还是在虫洞附近，都能实现我们对时空弯曲的任何要求。
这些都是非常极端的假设，所以我把这一章标记为猜想。
虫洞的引力和时间弯曲
克里斯托弗·诺兰希望虫洞具有一个适度的的吸引力：一方面，这一引力要足够强，从而可以维持“永恒”号围绕虫洞飞行；另一方面，这一引力又要足够弱，以保证“永恒”号被一般的火箭推进器减速后，能稳定、慢速地进入虫洞。这就意味着，虫洞的引力要比地球弱很多。
爱因斯坦的时间弯曲理论告诉我们，在虫洞内部，时间变慢的程度正比于虫洞引力的强度。因为我们要制造的虫洞的引力场弱于地球引力场，所以虫洞中时间的变慢程度一定比地球上小，但是这个差别十分细微，地球上的时间只比虫洞附近的时间慢了十亿分之一（经过10亿秒，也就是30年，地球时间会比虫洞附近的时间变慢1秒钟）。因为这个差异如此之小，所以奥利弗和我在设计虫洞的时候决定将其忽略。
3大“把手”，虫洞形态各异的根源
虫洞形状的最终决定权属于克里斯托弗·诺兰和保罗·富兰克林，而我的任务是为奥利弗和他双重否定团队的同事们提供“把手”（专业术语为“参数”），这样他们就可以通过控制这些“把手”（调整这些参数）来控制虫洞的形状。他们根据不同的参数作出了一系列不同样式的虫洞，然后让克里斯托弗·诺兰和保罗·富兰克林选择了一个最引人注目的。我一共给出了3个参数来控制虫洞的形状（见
图14-1）。
第一个参数是虫洞的半径，是创造这个虫洞的高级文明的工程师从超体里测量得到的（类似于卡冈都亚的半径）。如果我们把这个半径乘以2π（6.28318...），就可以得到虫洞的周长，这个也是库珀在驾驶“永恒”号穿过或者盘旋在虫洞附近时所测量到的虫洞的周长。克里斯在我开始构建虫洞的工作之前就定下了虫洞的半径。他要求，即使利用美国宇航局所拥有的最大的望远镜也几乎无法在地球上观测到虫洞对恒星的引力透镜效应。这点限制了虫洞的半径，它大约为1 000米。
第二个参数是虫洞的长度，库珀和超体中的某位工程师会得到完全相同的测量结果。
第三个参数决定了来自虫洞背后的光被虫洞的引力透镜效应影响的强度。虫洞的引力透镜现象的细节是由虫洞口处附近空间的形状决定的。为此，我选择了一个类似于无自旋黑洞视界以外空间的形状。这种选择只有一个可调参数，即产生强引力透镜的区域宽度。我把这个参数称为透镜宽度，如图14-1所示。[1]
图14-1 在超体中看到的虫洞，以及我用来调整虫洞形状的3个参数（左侧的小图是主图的远景图，是假想观测者在超体中从比较远的地方观测到的虫洞，所以我们可以看到虫洞的外部结构）
“把手”如何影响虫洞的外观？
就像对黑洞卡冈都亚所做的那样（见第7章），我根据爱因斯坦的广义相对论推导出了经过虫洞周围或者穿过虫洞的光线的轨迹方程，并且制定了求解方程的步骤，以此来计算虫洞的引力透镜效应，以及在环绕虫洞和穿越虫洞时摄像机所观测到的景象。在确认方程和求解步骤能够得到我所期望的结果后，我把它们发给了奥利弗，然后奥利弗根据我的结果编写了一套程序，再根据电影的标准在计算机上生成了高品质的IMAX级别的图像。而尤金妮娅·冯·腾泽尔曼则添加了恒星场和宇宙中其他天体作为虫洞引力透镜系统的源图像，然后她和奥利弗、保罗研究了这3个“把手”的变化会对引力透镜像产生的影响。此外，我也独立做了一些探索。
尤金妮娅热心地提供了本书的图14-2和图14-4，这些图展示了我们透过虫洞看土星时的图像。（她的图片的分辨率要比我自己那套粗糙程序的结果远远高得多。）
虫洞长短，穿越景象各异的决定者
我们首先研究了在中等透镜宽度（或者比较小的透镜宽度）下，虫洞长度对虫洞引力透镜像的影响，见图14-2。
当虫洞比较短的时候（见图14-2的上图），镜头透过虫洞看到的是一个扭曲的土星的像，我们称之为主像，这个像位于虫洞中那个像水晶球一样的入口处的右侧。此外，还有一个非常细的圆孤状的次像，位于水晶球的左侧边缘。（位于水晶球右下方的非常细的圆弧状结构并不是土星的像，而是外围宇宙的扭曲像。）
由于虫洞被拉长（见图14-2的中图），主像开始缩小并向水晶球内部移动，此时次像也会向水晶球内部移动，并且在水晶球的右侧边缘产生第三个非常细的圆孤状的像。
如果我们进一步将虫洞拉长（见图14-2的下图），主像将进一步缩小，所有像都将向中心移动，其中第四个像和第五个像将分别在水晶球的左侧和右侧依次出现，以此类推。
在图14-3中，我在虫洞上画了几条描述光线路径的线，这些线可以帮助我们理解虫洞引力透镜系统的上述行为（这一虫洞的示意图依然来自超体的假想观测）。
来自尤金妮娅·冯·腾泽尔曼的团队，他们通过奥利弗·詹姆斯基于我的方程开发的程序得到此图
图14-2 左侧：拥有较小透镜宽度（这里的透镜宽度只是虫洞半径的5%）的虫洞，从超体中所观测到的形状示意图。右侧：对应左侧各种形状的虫洞，镜头所拍摄到的像。由上至下：依次变大的虫洞长度参数分别为虫洞半径的0.01倍、1倍和10倍
图14-3 光线从土星出发，穿过虫洞到达镜头的不同途径的示意图
黑色光线1表示的是形成主像的光束所经过的路径，这一路径是从木星穿过虫洞到达镜头的最短距离。红色光线2代表组成次级像的光束所经过的路径，这些光线从黑色路径的反方向（逆时针）绕着虫洞壁到达镜头，红色光线是从土星出发沿逆时针方向到达镜头的最短距离。绿色光线3代表形成第三个像的光束，这些光线所走过的路径是沿顺时针方向绕行虫洞壁一圈后从土星到达镜头的最短距离。棕色光线4代表形成第四个像的光束，这是光线沿逆时针方向绕行虫洞壁一周后到达镜头的最短距离。
那么读者们，你们能回答第五个像甚至第六个像是如何产生的吗？为什么当虫洞被拉长的时候像会变小？为什么新产生的像会从酷似水晶球的虫洞入口处的边缘出现，又再向中心移动？
虫洞的透镜宽度，引力透镜效应大不同
在已经理解了虫洞的长度如何影响摄像机捕捉到的图像之后，接下来我们将虫洞长度固定在一个相当短的尺度上——与虫洞半径一样长，然后只改变虫洞的透镜宽度。我们让虫洞的透镜宽度从接近于零变化到虫洞直径的一半，然后分别计算不同情况下镜头所捕捉到的图像。图14-4呈现了上述变化中的两个极端情况。
当虫洞的透镜宽度很小时，虫洞的形状会如图14-4左上方子图的样子，外部宇宙（水平面）到虫洞喉部（垂直柱体）的过渡很迅速。就像镜头所观测到的一样（见图14-4右上方子图），即使在虫洞边缘，虫洞对背景恒星场和图中左上方暗云的扭曲效果也不是很明显。它就像一个具有很弱引力场的不透光物体挡在背景恒星场的前面一样，比如一颗行星或者一艘宇宙飞船。
来自尤金妮娅·冯·腾泽尔曼的团队，他们依据詹奥利弗·詹姆斯基于我的方程开发的程序得到此图
图14-4 不同透镜宽度下的虫洞对恒星场和土星的引力透镜效应对比图：上图中虫洞的透镜宽度是虫洞半径的0.014倍，下图中虫洞的透镜宽度是虫洞半径的0.43倍
图14-4左下方子图显示的是一个透镜宽度大约等于一半虫洞半径长度的虫洞的示意图，在这种情况下，外部宇宙（渐进水平面）到虫洞喉部（垂直柱体）的过渡比较平缓。
也就是说，当虫洞的透镜宽度比较大时，虫洞对背景恒星场和暗云的透镜扭曲效果非常明显（见图14-4的右下部），并且能够产生多重像，这和无自旋黑洞对背景天体的扭曲效果几乎一样（见图7-3和图7-4）。随着虫洞透镜宽度的增大，木星的次级像和三级像也随之增大。图14-4下半部分图中的虫洞看起来要比上半部分的虫洞大些（在镜头里），较大透镜宽度的虫洞与较小透镜宽度的虫洞相比具有更大的张角。这并不是因为镜头离虫洞口更近。其实，在这两种情况下，镜头和虫洞口的距离是一样的，结果不同完全是由于虫洞的引力透镜效应所致。
《星际穿越》中动人心魄的虫洞
克里斯在看到我们给他展示的具有不同虫洞长度、不同透镜宽度的一些数值模拟的结果后，毫不犹豫地选择了中等透镜宽度、长度极短的虫洞。因为对于中等长度和比较长的虫洞来说，它们会在虫洞的入口处产生多重像，这种现象很容易使普通观众感到迷惑，所以他把《星际穿越》中的虫洞设计得非常短：只有虫洞半径的1%。虫洞的透镜宽度也被他设定成中等大小：大约是虫洞半径的5%，这样虫洞周围的透镜效果会变得可见起来，并且看起来很酷，但是这个透镜效果要比卡冈都亚的弱很多。
最终，克里斯选择了图14-2中最上方子图展示的虫洞模型。双重否定公司的视觉特效团队在虫洞的另一端还加上了一个美丽的星系，这个星系里有着漂亮的星云、尘埃带和恒星场（见图14-5），看上去如此动人心魄。于我而言，这一场景是电影中最壮丽的场景之一。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图14-5 《星际穿越》预告片中所展示的虫洞。“永恒”号在虫洞的前方，靠近中心处。在虫洞的外围，我用粉色的线画出了爱因斯坦环，类似于图7-4中针对无自旋黑洞的爱因斯坦环。这里被引力透镜作用后的恒星的主像和次级像的运动轨迹与图7-4中黑洞的情况也非常类似。如果观看《星际穿越》的预告片，你是否可以分辨出这些像，并且跟踪它们的运动轨迹呢？
穿越虫洞之旅
2014年4月10号，我接到了一个紧急电话。克里斯在可视化“永恒”号的虫洞穿越之旅时遇到了一些困难，他说他需要我的建议。我开车去到了他的辛克匹电影公司的工作室，在那里，电影的后期制作正在进行，然后克里斯给我展示了他所遇到的问题。
通过我给他们的方程，保罗的团队已经制作出了虫洞穿越的演示视频，并且不同视频还对应着不同的虫洞类型，即不同的虫洞长度和透镜宽度。但是对于电影中采用的中等透镜宽度的短虫洞来说，穿越过程很短，而且没有什么新奇的视觉效果。如果是一个较长的虫洞，穿越过程就像飞船穿过一条长长的隧道一样，隧道的墙壁在飞船周围一晃而过，与我们在以前电影中看过的场景太相似了。克里斯随后又演示了很多添加了各种装饰的虫洞之旅的变体，我不得不承认，没有一个能够达到他的要求：他要求穿越过程有让人过目难忘的新鲜感。经过彻夜不眠的冥思苦想，我依然没有想出任何石破天惊的妙招。
第二天，克里斯飞往伦敦，与保罗的双重否定团队会谈，以寻求这个问题的解决方案。最后他们只能被迫放弃我的虫洞方程，然后去“寻找一个以更加抽象的方式演绎虫洞的内部之旅”（这是保罗的原话），这个新的阐述方式虽然仍包含了已有虫洞数值模拟结果的主要特征，但是为了艺术上的新鲜感又做了重大的改动。
后来，在电影《星际穿越》的早期试映中，当我看到飞船穿越虫洞的画面时，觉得很满意。尽管不是完全的准确，但是它抓住了精髓，也重现了真实地穿越虫洞时可以看到的大部分景象，而且画面也十分新鲜，且令人印象深刻。
你们觉得呢？
[1] 大部分引力透镜现 象发生在虫洞入口处的空间被强烈扭曲的区域。在这些区域里， 弯曲空间上某点的斜率会大于45 度，所以我定义透镜宽度为超体里的径向距离，即从虫洞的喉部到虫洞入口处的空间斜率等于45 度的位置处的距离。
