如何评价《星际穿越》中高维空间的呈现？_ZNDS问答

a2007

如何评价《星际穿越》中高维空间的呈现？

跌入奇点之后就是诺兰兄弟的脑洞了。由于奇点是未知的，他们可以随便想，索恩说只要不拍地狱和撒旦就行了。这俩兄弟弄出来一个超立方体。
这个超立方体，是本片最大的亮点，也是最大的谜团。我也没有想明白。有两种可能：第一，这是一个真实的高维时空在我们宇宙的切面；第二，这是未来人类为马修做的一个操作系统，正如同你的数据在硬盘并不是存放在一个文件夹之内的一个文件夹，只是为了便于你操作而画出来文件夹一样，这玩意也是便于马修操作引力造出来的。
总之未来的人类在奇点里放了一个超立方体。按照弟弟的说法，超立方体使得马修从我们的宇宙中抽离出来了，就像把一个立方体放在二维的平面上，一个二维的小人进入了这个立方体，随着这个立方体的运动，他进入了一个更高的维度。但是由于他是一个二维的人，他看不到更高的维度，只能看到更高维度在地位的切面，例如，他看到无穷多的平面，正如马修看到无穷的空间。
超宇宙和我们宇宙的不同在于，由于时空的扭曲，超宇宙运动一段路程远远小于我们，所以在没有超光速的情况下，超立方体带着马修回到了地球，并对接到马修女儿的卧室。然而这个卧室呈现给马修的，是无穷的空间。

假设你是二维的马修，你被超立方体带来了二维女儿的房间，你看到的女儿的房间仍然是二维的，只不过你可以上下移动了，所以你会看到无穷个二维的女儿的房间，假设时空是三维的，那么就有无穷个女儿的房间沿着z轴排列，从而组成这个立方体，这个z轴，就是时间轴。
超立方体也是这样，不同的是，这时候切面不是二维的，而是一个三维空间，无穷的三维空间组成了一个立体像棋盘，里边有无数纵横交错的三维长条。这些长条是一个立方体不断向六个方向延伸形成的，这个延伸就是时间，这样就形成了无数个长条状的长方体，两个长方体相交的话，就组成了四面墙，再和第三个垂直于这两个长方体的长方体相交，就组成了六面樯，这六面樯的小房间，就是马修所在的地方。
注意，长方体以真实时间的速度运动，也就是对于马修来说，当他凝视一面墙，那面墙所代表的空间不断被下一秒所代表的空间替代，对于马修来说，他就可以看到一个运动的空间，这个空间的时间流逝和真实的世界是一样的。不同的是，在这里是下一个时间点的立方体替代上一个时间点的立方体。时间在这里实体化了。
按照诺兰法则，马修无法突破这个实体化的维度，不能回到过去，光也不能。但是马修发现他努力拍墙面，樯对面的书会掉落。是因为他改变了物体的时间线。一个时间线就是连接物体所有事件的线，把一个点在时间上的轨迹连接起来是一个时间线，把世界上所有点的时间轨迹连接起来就有无数条时间线，于是就有整个世界的时间线。
马修拍掉书的机理是：马修改变了书的时间线，于是改变了下一个要到来的立方体内书的位置，随着时间的流逝，下一个立方体到来，于是在马修看来，正是他拍掉了书。
马修之所以能够改变时间线，是因为引力波的存在，从人类到光都无法通过时间维度逆向而行，但是引力波可以。于是马修通过改变手表（本年度最佳植入广告，可惜太贵了买不起）指针的频率传递数据，女儿终于找到了函数的真正形式。
这个时候马修就被送到了土星轨道。按照电影的设定，超立方体的时间是不被减缓的。因此最后所有的时间减缓都在逃脱黑洞时产生，因此马修进入土星已经是好几十年后了，安妮海瑟薇其实也刚刚登陆。
然而这里有一个非常费解的问题：马修是如何被送回来的？为什么他送回来的时候会和过去的飞船相交，然而他的起点和终点都是未来？虽然这个桥段非常有诗意，但是。。。。
一个可能的解释是，马修仍然被超立方体送到土星轨道，只不过送的时候不小心穿了一下虫洞，由于超立方体能够把时空分解成沿时间延伸的无数空间，在碰到虫洞的时候，也把他周围的时空分解了，所以未来的马修在未来超立方体分解未来的虫洞时，看到了过去他们飞船在过去虫洞飞行的像。

我发现很多朋友都对电影中的维度有一个错误的认识，特此来简单写清楚维度的关系和构成。
维度的理解从理论上与不讲超出电影范畴的表现信息，从最基础的开始。
简单地说就是三个维度一个立体构成。
首先确立一个维度准则：低维度对高维度只能观察并纪录，无法干涉。间隔仅一个维度。即一维可观察二维确无法感受三维。反之，高维度包含低维度，因此可以反向干涉。
好了，第一维度，长度，即线条，点与点的构成。
第二维度，长度和宽度，即线条封闭构建成的面积。例如圆，正方形，长方形，或任意无规则图形。
第三维度，长度宽度高度，即在面积基础上有了容积，我们的世界就是具有容积的世界。不用具体例子了。
开始讲第四维度，三维已经构成了一个世界，那么更高级的维度，时间，是否是一个世界呢？错！三维世界之上的构成还是新的线条，即第四维度时间线条，包含过去现在和未来，举个栗子：你的出生是线条起点，你的死亡是线条终点。相对于时间本身时间线是不断延伸发展的，即无限长的时间线。
好，根据维度准测，低维度对高维度仅能进行观察和记录，看看手表，看看电影时长，看看各种聊天记录的时间码，看看延时摄影拍摄的云卷云舒花开花落，对！这就是我们三维世界对四维世界的观察和记录！但是我们不能干涉它，让它停滞或者回归到某一个时间点。要从三维视角看，若能干涉，即三维世界中可以倒转看见到花败变花开。但反过来我们只能在四维的纪录中倒放影片。这就是四维对三维的干涉栗子。
不过正因为我们处于三维，所以不能进入四维时间逆向干涉真实的三维空间。
好了，更高维度，依旧不离开电影的范畴，影片已经道明，第五维度与时间线长度穿插的是引力，时长和引力宽度构成了一个完美的无限增长，无限面积的圆（亦或者任意的几何）。面积中包含了时间线上所有的的事，参考图形面积可以构建任意几何画面（请脑补漫画），因此第五维度就是电影呈现的，包含引力线条的平面画面。当然，第五维度是跳跃过第四维度的，实际样子未知，但可以利用低维度的参考进行高维度的假设，电影画面呈现的是诺兰所假设的五维世界。即包含真实三维世界的，平面五维世界。
好，下面就是重点：
根据电影表现，库珀干涉的是五维引力场，影响四维时间线，改变三维世界。根据维度理论，高维度影响低维度，反向推导，其实库珀本身并不是在五维，而是六维空间。
举个栗子：维度之间只能进行低维度干涉，你可以烧毁漫画纸张等湮灭二维世界。
如果库珀在五维，它本身是不可能跳出时间引力场的面积，进行观察和干涉的。
即，人类是不能再同一个维度一根指头毁灭世界，就算你把地球炸了依旧有太阳火星土星等其他物质，你也不可能任意穿梭地球任意一个地方。即同维度不能进行同维度的干涉，只能做基本动作，即生活。
二维的鸣人就算是一千万尾附体也不可能湮灭自身存在的二维世界。
自身就是五维引力场，如何干涉引力场？
因此，库珀是在第六维度的具有时间容积的一个区域，作为一名可以任意观察的平面五维世界六维人，进行五维度干涉，影响四维时间，改变三维世界。
但正因为第六维度，根据三维一个立体构成的准则，在没有脱离电影范畴和影片信息之内，并没有告诉我们是什么，表现的就是一片黑暗。
不过诺兰很聪明，他给这个空间的名字，称作：超立方体。
立方体，三维的立体，向上推导，即六维的立体。
以上，诺兰对细节的注重和把握，以及对电影画面的想象和呈现是非常用心的！！！

尽管黑洞中立方矩阵仍是三维的，但这是我见过的最严谨的电影中对高维空间展示和解释。
关于具体解释，下面直接部分引用我的另一个回答：
2014 年的电影《星际穿越》中有哪些科学上的错误？ - JohnKwan 的回答-----------
最初版本的回答：把五维生物创造的四维超立方体实际上是三维的立方矩阵展现在二维屏幕上，诺兰够不容易的了，你还想怎样！
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黑洞里到底是几维空间？如何展现的？
正解：
主角在黑洞中所处的是三维立方体矩阵，但不同于我们的三维世界的是：主角可在矩阵中不同时间的立方体穿梭，因此也可以叫做时空意义上的四维，即空间三维+时间一维，而并非空间上的四维。（我们所处的是空间三维+时间零维）
关于四维到底是时空还是空间的争论
看看这个吧
四维空间为什么不是三维空间加上时间？ - shellway wang 的回答四维空间为什么不是三维空间加上时间？ - acel rovsion 的回答
我补上一句，如果高维生物真能在时间真能随意倒退改变，那我们早就能看到未来的生物了，因为他们会回来。所以四维指纯空间，而片中设定的三维+只能用引力干预的时间轴也不违背本条。
展开：
1.电影里导演想表达的是：进入黑洞后进入的是三维立方体，这个三维立方体是五维生物创造的，这是非常严谨不会犯错的说辞。
这一点机器人的一句话加以证明“我遇到了五维生物，他们建立了这个三维立方体”，三维的说法是原字幕。我刷第二遍的时候才注意到，想必很多人在第一遍应该没有注意，误以为是五维空间了。

2.我的理解：
导演很想展现进入黑洞后是四维世界，因为呈现的是“超立方体”，而且有时间的流动，不同的立方空间就是不同的时间，所以我理解的是导演想表达四维，但目前的技术无法实现。
更何况，就算是在四维，男主也只能在三维空间中行动，无法在第四个轴上移动的，所以They就创造了便于男主行动的三维立方矩阵，而时间这个轴由于三维人类本来就无法移动，所以就做成了一个一个的可以互相穿梭的三维空间。
你可以发现，男主进入立方矩阵后，只能三维移动，而进入一个立方体时，立方体内的时间流逝是正常速度，男主无法变速或者倒回，要换时间点只能空间移动到下一个立方体。
超立方体不等于 “超立方体” ，打了引号的是伪超立方体，下一点会解释。
3.为什么是三维立方矩阵不是四维超立方体？
心慌方2的立方矩阵(仅仅在片尾做了一段超立方体的特效，片中的表现不是很严谨，就不展开了)

电影中的立方矩阵（以后有图了补上）：相较于三维的矩阵，电影中的矩阵中每一个立方都是一个时间，主角可以在不同的时间中用三维运动的方式进行穿梭，所以也可以理解为四维时空，但就空间来说，是三维无疑。

因为：电影中四维“超立方体”的呈现基本上和《心慌方》的“超立方体”表现形式差不多，仍旧是三维的立方矩阵，我想这就是机器人说是三维的原因了，因为作为一个三维世界的摄像机，去拍四维世界是无法通过现在的特效水准呈现的，因为我们看到的永远是四维世界在三维的投影。
真正的四维世界在三维的投影，有一段视频可以参考，是几个数学家演示的：
上：

[Dimensions][03]四维空间[上]
http://v.youku.com/v_show/id_XNjc2OTI1OTY=.html
下：

[Dimensions][04]四维空间[下]
http://v.youku.com/v_show/id_XNjc2OTI2MTY=.html
相关问题：
为什么掉进黑洞就进了四维世界？
答：如果你在二维世界的一张纸上，纸上有个洞，你跳进去了发生什么？当然是进入三维世界了。
电影的黑洞设定和我们平时所学的有所区别，而片中黑叔叔也解释了这是一个“温和的”黑洞
为什么五维生物能在黑洞里创造四维甚至三维空间？
答：你作为三维生物是不是能随心所欲的在二维平面上画画？
低维生物是无法看到并理解高维世界的，而高维生物可以对低维世界为所欲为，这个我们只能逆推脑补。
赠言：这个影片的科学框架太庞大了，环环相扣几乎无懈可击，除了多看看影评和其他知乎答案外，建议多看几遍电影。
我才刷第二遍，有些表达也不一定准，我会择时刷第三遍，到时候再补充。

从低维仰望高维，还停留在公式中，对具体场景的想象，只能是臆想。反正没有现实可以验证，那么无论如何臆想都不错，诺兰要做的只有两件事，第一效果绝伦，第二符合逻辑。
效果我觉得一般，没有被特别震撼到。但从我的知识水平（民科级）上看，逻辑是严密的。下面稍微细说一下逻辑：
首先，第四维度不是简单的我们所理解的时间。影片中黑人科学家为男主科普虫洞的时候举了个非常好的例子，如同三维空间中可以将二维空间的平面折叠，将两个距离遥远的点连接在一起一样，四维空间可以对三维空间做同样的事情。
其次，四维空间不能任意妄为。虽然第四维不是时间，但维度越高对时间的控制就越容易。根据狭义相对论，在三维空间中，运动可以延长和缩短时间。但不能让时间倒转。在四维空间，对时间的操作就更加简单和广泛，但还是不能改变历史进程。那这事儿就交给五维空间了吧！电影让“他们”做为五维空间的人类干预历史进程，诚意满满。
第三，五维空间也不是万能的。无论处在第几维度，都要受到该维度的限制。比如我们在三维空间，想象面前的一张纸（所在的平面）中存在二维生命（不是细菌神马的，那是三维的），那么我们能不能化身这二维生命中的一员，出现在他们面前，和他们交流，掌握他们的生杀予夺？不能，你甚至进不到他们的世界中。面对二维空间，我们被“困”在三维空间里了。因此电影里“他们”也想尽了办法，利用男主进入黑洞的机会窗口，无声无息的引导男主改变历史。
第四，高维生命如何对低维空间施加影响。二维生命对其所在空间的物理量是懵懂的，正如我们也不知道在三维空间中的各种物理量的本质是什么。根据广义相对论，引力是质量引起的时空扭曲。从高纬度来折叠低纬度，正是改变了引力场。五维的“他们”制造了这样一个空间，允许男主能够影响一个小范围区域（仅仅是一个房间）的引力场，从而引起各种古怪事件的发生。

=======2017年的分割线
最近又重看了一遍，认识到自己的错误，对原答案做了有限改善。期间误导了很多人。对不起大家。主要修正了两个观点：

“他们”是未来的人类，也许是有意识的拯救计划，也许是某个个体的偶然发现和一时性起的行为。甚至也有可能是男主在影片结尾时开始的星际航行中的新际遇。
男主在黑洞中所坠入的不是五维空间，也不是四维空间。是五维空间的人制造的帮助男主能够改变历史的通道。这个通道必须在黑洞中实现。这个通道是狭窄的，而且仍然属于三维空间，只不过能在第四个维度上中有所延伸。

注意，终究是有剧透的。

另外，怕剧透也别手贱翻评论...
11月19日二刷后修正一些东西

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纠正：影片中男主角所在的空间并非五维空间，而是五维空间的生物创造的三维空间。
（录了字幕，网速卡，晚点上图）
情况是这样的，塔斯和男主角一块进入了黑洞，塔斯声称它掉进了五维空间里（图1），并告知男主角他处在三维空间里。“他们”（高维生命）在五维空间里造了男主角所在的三维空间（图2、3）。
(以下是与男主角一起掉入黑洞的机器人塔斯的三句话)

1

2

3
也就是说，其实男主角在的空间不是五维空间。
而且三维生物可以到达五维空间，再全身而退，也是奇怪...
所以，可以有的解释是：高维度生物把掉入黑洞的男主角弄到一个“房间”里，这个“房间”是三维空间，但是高维度的生物在这个“房间”里做了一些类似全息投影的装置，男主角通过观测这些由高维度生物投影出来的影像（也就是男主角看见了自己的房间和自己与女儿），体验到了高维度生物观测四维空间时的视觉体验，于是男主角开始与这些影像做互动（推落书架上的书，留下摩斯密码等等），而男主角的这些行为，由高维度生物通过某种方式亲自去完成。
就好比男主角用身体在操作一个可以观测、影响四维空间的软件，软件接收到男主角的操作行为，再通过某种硬件（高维生物的科技手段）把信息传递到过去。
这是影片关于片末的空间的描述以及个人的一些猜测。

主人公通过女儿书柜后的三维空间影响低维度空间，做到传递信息，教女儿引力的公式。
简单的说，那个空间的结构设计成类似“镜中镜”世界，是为了便于主人公观测、和影响四维度空间里，前前后后的每一帧。

要说如何评价电影里那段“书柜后的空间”所呈现的视觉效果的话，可以说下“在影视作品里，如何从视觉上描述高维空间？”。
——————
有人说《2001太空漫游》的最后，库布里克用一个巴洛克式装修的房间+颇有未来感的地板，以及主人公看见衰老的自己来表现高维度空间。
据说，小说里并没有提到这个房间是高维空间，但是库布里克让男主角在这个房间里看见自己的衰老的过程，这个现象视乎不是四维空间能看见的。（当然你诺是硬说是外星人让男主角看见的幻想我也没办法..）

——————
类似的例子还有《超时空接触》里的最后，高阶文明与主人公接触时，以主人公记忆中的画面，搭建了一个异色的彭萨科拉海滩，作为接触的空间。
有人说这个也不是高维空间，我不知道这个是不是，但是如果外星人与人类接触时，不以本体出现，而是化为主人公父亲的相貌接触人类，还需要制造一个三（或四）维的空间，那能不能猜测他是来自高维度的生物？

举这两个例子，主要是想说物理学上还没有得描述的空间在电影里该怎么呈现。
这样的手法基本上是写意的，因为没有人知道高维度空间里是什么样子的，所以可以按照导演想表达的东西去设计这个环境。
以上这些环境的设计，都是过去的作品“填充”那个我们不知道长什么模样的空间所用的手法。
其实你看，小说可以直接叙事，不用具体描写环境，而电影里，视觉是优先级的，机位、景别不停切，环境只能乖乖地、完完整整地的设计完，否则没法继续叙事。

星际穿越里这个模拟高维空间的三维空间的也是需要通过特效来表达的，但因为整部片子的前面部分的设定一直很硬朗，以至于没法用像上面两部那样写意的手法。
因此，在星际穿越里，片尾的那个空间的视效也基于比较硬朗理念来设计的。
乍一看，星际穿越里的那个“高维度空”间显得十分异常和混乱，但清楚了我举个例子就好懂了。

我们假设，影片书柜后那个类似隧道的空间就像一条条胶片，胶片的每个格子都连着书柜和书房，每条胶片可能是一个事件，胶片上的每一帧可能是事件的每一秒。

如图...(随便画的，但愿能帮助理解...)
主人公上下左右不同移动去寻找他要的那一帧画面，并且传达信息，因此有了片子开头的女儿房间里的幽灵事件。
前面说过，空间的结构类似我们在“镜中镜”里看见的画面，这可能是诺兰喜欢的效果，盗梦空间也用过类似的手法，但这部片中用这样的“镜中镜”来当男主角所在的那个三维空间的结构，也可解释是为了方便主人公移动，寻找关键事件，反正倆样都说得通。
而在特效细节上，诺兰让空间里的一些细节呈现“线状”。
这种效果类似与电脑卡屏，导致某层像素不断向上复制的感觉。
我做了个类似的效果。

原图↑

模拟影片中的效果↑
为什么是呈现出这样“线性”的效果呢？
以前看过一本书，里面有篇文章描述了一个主宰时间的神，能看见每个人一生的每一个动作，那所有人在他眼里就像一条很长虫子。
也就是说物体移动的每一帧，这个神都可以观察到。
那在视觉上，将得到的是类似以下这个视频的效果。
这个是OK GO乐队的一个MV，我很喜欢拿这个mv和别人解释高维度生命眼里，低维度生命是什么“模样”的。

OK Go - WTF? - Official Video
http://v.youku.com/v_show/id_XNjMyNjY5MzA0.html

电影里男主角最后所在的“模拟五维空间的三维空间”细节效果是就是做出类似上面这个例子的视觉效果，这个特效的原理是假设四维以上的空间可以观测到三维物体的运动的轨迹，为了弥补环境细节上的美术，所有用了这个效果。

拿2001、超时空接触对比星际穿越就可以发现，诺兰的这部电影的视觉效果，也是顺着物理学的一些描述去做的。

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额，关于那个“线性效果”我突然想到，也有另一种可能（脑洞超大系列）。
我们假设...每个书柜后都是一个空间，书柜1后就是空间1，书柜200就是空间200，
空间1到200，有200帧画面，都是每个画面变化不大，于是系统（剧情里的高阶人类）为了节省主角时间...压缩了其中198个画面，于是书柜1到200之间形成一个空间，是被压缩的上百个画面，自然的，会有些线性的效果留在这个间隔上...

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