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在电影《星际穿越》里，导演Christopher Nolan在结尾处设计了一个超正方体 (tesseract)的场景，被称为科幻电影史上最经典的场景设计之一。并且，在科幻电影大量依赖CG技术的今日，为了追求画面质感，Nolan依然坚持实景拍摄。因此某种程度上来说，tesseract可以称为Nolan及其团队实际建造的“科幻建筑”。

tesseract是一个用人类可感知的三维空间去指代人类不可感知的五维空间的经典案例，其中涉及到了例如五维空间，平行宇宙，狭义相对论等硬核的物理知识，可贵的是，Nolan处理起来却一点儿都没有“和稀泥”。

今天我们将向大家介绍tesseract从概念生成，模型制作到最终场景搭建的全过程。以此为把握抽象概念，并最终转化为空间设计提供灵感。


场景设计手稿


「 What is tesseract ? 」

tesseract原为希腊语，1888年引入为英文。
  
大部分的影评将tesseract直接定义为“Cooper进入了五维空间”，这种说法其实不够准确。电影中准确的描述是：



They constructed this three-dimensional space in their five-dimensional reality to allow you to understand it.

也就是Cooper进入的是一个由"they"设置的，用以表示五维空间的三维空间，即tesseract。tesseract依然是一个三维空间，但是能够让Cooper“感知”五维空间（类比“透视法”在二维空间上让人类“感知”三维空间）。官方设计团队对于tesseract的解释是：

three-dimensional shadows of a four-dimensional hypercube

（注意此处的shadows，物理学上认为“N维可以体现为N-1维的投影”，但当N大于3时的投影与我们平常认知的几何投影并不一样）


我们日常所认知的几何投影
图：A Man in a Room, 1627 - 1630 - Rembrandt

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「何为五维空间？」

在狭义相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，四维时空是构成真实世界的最低维度，目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间（现实世界）加一维时间。

而五维即加入了平行宇宙的四维，可以理解为无数的可能性。平行宇宙的概念来自量子力学，在20世纪50年代，有的物理学家在观察量子的时候，发现每次观察的量子状态都不相同。而由于宇宙空间的所有物质都是由量子组成，所以这些科学家推测既然每个量子都有不同的状态，那么宇宙也有可能并不只是一个，而是由多个类似的宇宙组成。(有学说认为2007年观测到的“冷斑现象”为第一次有证据显示平行宇宙是存在的。）


冷斑现象 cold-spot

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「那为什么tesseract可以指代五维空间呢？」

从视觉上，我们可以看到tesseract里，XYZ轴三个方向排列延伸的线，在其交叉处构成了无数个Murphy的房间。





这些线指代的是世界线 (world-line)，五维空间里所有房间的物体以及房间本身，会在时间的空间里留下轨迹。这个轨迹在tesseract里表现为可感可触的world-line。



从房间与房间之间的world-line会相连接，而不是无限延展可以看出，这是一个个被切割了的"四维空间"。这无限个"四维空间"表现的就是平行宇宙。



All of this is one little girl's bedroom. Every moment. They have access to infinite time and space.




概念设计手稿 / 图片来源：UP@迷影心生

电影巧妙地用动态的事物去暗示这一点，电影有两个镜头都对准了房间里飘动的窗帘，之间存在着细微的时间差，暗示着时间的错位。





虽然Cooper不能进入任何一个三维空间，却可以通过挪动world-line，即所谓“挤压”产生超越的波长，影响房间里的东西。爱因斯坦曾说过，重力就是穿越时空的波长。这就是Cooper能通过拨动world-line来影响指针的理论依据。






「 Model 」

理解了tesseract的概念后，接下来的问题便是如何设计了。其重点在于上文所提到的：

  1.物体在时间的空间中的轨迹 world-line（四维）
  2.无限的可能性（五维）
  
Nolan及其团队首先制作的是一整组贴上了镜子的立方体，这是一个我们熟悉的场景，空间通过镜子之间的反射无限延伸。草间弥生经常用它来表现无限的空间。


Yayoi Kusama 'Infinity Room'

但显然，尽管该模型能很好地表现超现实性，却未能体现物体在时间的空间中的轨迹。


镜子模型

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「时间的轨迹要如何表达？」

Nolan及其团队给出的答案是——物体的延展。在实验阶段，他们制作了各种”挤压物体“模型，来确定这种变形家具的视觉效果。






部分”延展“家具的实体模型

类似的”延展“变形概念在雕塑中较为常用，例如雕塑家Jonty Hurwitz的作品，延展变形后的物体需要投影到柱面镜子上才能显现出正确的形状。又例如雕塑家李洪波制作的蜂窝纸拉花雕塑。但应用到建筑体量和与量子物理知识结合却很少见。


Jonty Hurwitz


李洪波，蜂窝纸拉花雕塑

经过实体模型的推敲后，Nolan及其团队通过数字模型最终确定家具延伸的形状，以确定能够将不同时间里的房间通过world-line连接起来，实现”无限“的概念。






数字模型


「 Build 」

实际建造出如此精确和宏大的几何空间十分复杂和困难。

根据场景布置图纸和现场拍摄照片可知，两侧为"bookcage"，上下为"paint stage floor"。从视觉效果上看，书架上五彩斑斓的书将产生颜色丰富的world-line，充分展现了时间的线性特征。而从象征意义上看，书是知识的意义，也就是语言的象征。书架上的钟表则是“时间”，这个曾经被康德到海德格尔反复讨论的艰深命题，被引向先天直观或者“向死而生”的生命意义，在这部电影里成为五维空间里可以“实体化”的形式。




场景设计图 / 图片来源：UP@迷影心生


实际拍摄现场


向各个方向延展的书架

最后只剩下模型制作环节了，模型组需要把先是将变形的家具实际制造出来，然后将残像列印，再覆盖到特制的家具模型上。团队花费数月，一共制作了480到600个这样的房间，并经过后期处理，才最终完成了这个经典的“科幻建筑“。


空间生成图
图源：豆瓣@呆呆双鱼女——《星际穿越》花絮大盘点


将残像列印后覆盖到家具模型上


Matthew McConaughey在拍摄现场


最终呈现效果


参考资料：
Across All Dimensions and Time Interstellar Making
https://www.youtube.com/watch?v= ... BlbXKFF&index=2
诺兰《星际穿越》幕后花絮  UP@迷影心生
《星际穿越》花絮大盘点（剧透不饶人！）豆瓣@呆呆双鱼女