我们经常能在影视作品中看见各种各样的空间传送门，如奇异博士的圈圈、宇宙中的空间跳跃节点、哆啦A梦的任意门或是时光机的出口，它们的功能都是把两个不同的空间点连接起来以便通行，符合广义上虫洞的定义。
图1.影视中的虫洞
这些虫洞的造型千奇百怪，但经常对两个常见的问题避而不谈，那就是“虫洞背面看上去是什么样子？”以及“物体横跨虫洞的边缘运动会怎样？”，毕竟这些虫洞的设计主要是为画面效果服务的，科学正确性倒是其次。相比之下，《星际穿越》中描述的虫洞就科学很多，它不是一个“洞”，而是一个“球”。
图2.《星际穿越》中的虫洞
由于虫洞是个球，自然没有背面一说，无论从哪个方向看向虫洞都是一个球，且无论从哪个方向进入虫洞都越过了虫洞的边缘，所以也没有所谓的“横跨边缘运动”的问题了。但让我比较奇怪的一点是，《星际穿越》中描绘的穿越虫洞的过程看上去像是穿过一条长长的隧道，能很明显看到“隧道壁”，而飞船是在隧道内飞行。
图3.《星际穿越》穿越虫洞
抛开穿越虫洞的问题不谈，虫洞本身也有很多奇怪的问题，比如虫洞为什么是个球？球表面的景象为什么看起来是扭曲的？不同大小的虫洞看起来有什么区别？比虫洞大的物体穿过虫洞会怎样？等等。
为了更好地理解三维空间中的虫洞，我们先从二维空间虫洞说起。推荐阅读下面这个回答，便于了解下文中二维几何生物的造型及视角。
<hr/>不知名的空间中，存在着两个平行的二维空间宇宙，分别生存着蓝色方形和黄色圆形的几何生物。有一天，它们听说某地会出现一个虫洞，可以通往另一个宇宙，于是便聚集在该地点周围。
图4.平行的二维宇宙
圆形生物宇宙这边推选小白作为“穿越虫洞第一圆”，因为它对于空间维度穿越方面比较有经验；方形生物宇宙那边则没什么准备。
图5.圆形生物现场实况
图6.方形生物现场实况
虫洞开始出现了，在三维空间中看起来是这个样子的（主要关注虫洞开启部分，虫洞关闭只是为了动图能够完美循环）。
图7.二维虫洞开启过程
可以看到，虽然是二维空间的虫洞，但虫洞本身依旧是三维形态，或者说只有在更高维度的空间中才能创造低维度的虫洞。在圆形生物宇宙的小白看来，虫洞出现的过程是这样的。
图8.二维视角虫洞开启
小白正对着虫洞出现的方向，在虫洞出现之前看到的是对面黄色圆形生物；当虫洞出现后，视野似乎被镜像分成左右两个部分，左边看到越来越多的右边部分，右边看到越来越多的左边部分，且距离越来越远，随后甚至能看到小白自己（图中出现的白线）；而当虫洞完全贯穿后，视野中心开始出现另一个宇宙的蓝色方形生物，且随着虫洞半径的增加而放大（由于分辨率限制，二维视角画面易出现闪烁，效果不是很好，后文中并没有更多二维视角的动图）。
图9.二维虫洞高清大图
为什么虫洞看上去是这么奇怪的画面？我们先来捋一捋光线在虫洞中的传播过程：假设光线依旧是沿着直线传播，由于虫洞部分的空间曲率不为0，光线就变“弯”了，从而产生类似于“引力透镜”的效果。而虫洞造成的空间曲率影响比普通的大质量天体大得多，虫洞引力透镜的效果也强得多，甚至能让光线弯得原地转几个圈。
虫洞引力透镜效果
https://www.zhihu.com/video/1136666560273018880
视频中存在一个只能照亮固定角度和距离的二维光源，且位于下面那层二维宇宙。当虫洞开始出现后，由于透镜效应，光线弯曲后走过的距离更长了，所以对应着的扇形边缘变短了一点，出现了一个凹陷；当虫洞慢慢变大时，凹陷的部分也越来越多，光线被弯曲的效果也越来越强，甚至于被虫洞弯曲得“折”了过来，右边往左折，左边往右折，逐渐把光源本身也包含进去了，左右光线呈现相互交叠的圆形，即在虫洞的左右部分能看到虫洞周围的全景，这也是为什么图8中小白能看到自己；当虫洞贯穿后，部分光线就传播到上一层宇宙中了，且左右光线也呈现交叠的圆形，说明虫洞内部的左右部分也能看到上层宇宙的全景。
如果还不清楚上下层那几个交叠的圆形是怎么出现的，视频中也展示了光线由近到远穿过虫洞、从左向右划过虫洞以及单独一根光线划过虫洞的景象，可以再看几遍加深理解。
了解了光线在虫洞中的传播过程后，再看图9，似乎就好理解了很多。从左至右，光线慢慢往右旋转（视频角度为顺时针），并绕了一圈看到小白自己，由于弯曲光线走过的路程增加，所以看起来也越远；当继续旋转进入虫洞，再从虫洞出来时，变成从右往左旋转（逆时针），这时能看到蓝色方形生物；继续逆时针旋转了一圈多，看遍上层宇宙的全景，然后再次进入虫洞，出来时又回归顺时针的旋转方向，再次绕了一圈看到小白后继续往右旋转直到最右边。
接下来，就到穿越虫洞的过程了，由于不清楚弯曲空间对实体的影响，我们假设小白能够适应各种曲率的空间环境。
图10.小白穿越虫洞
二维视角的图不好看又难以理解就不放了，我们只关注小白穿越的过程。从图10中可以看到，小白相对于虫洞来说还是比较小的，于是能够顺利地通过虫洞。但注意到，在小白通过虫洞最窄的“颈”部时，似乎只要左边再往左绕一圈就能碰到右边了。
图11.中白穿越虫洞
为了效果更明显，我们让小白变大一点，变成中白，再次穿越虫洞，可以看到中白的左边和右边离得更近了。
图12.大白穿越虫洞
我们让中白再变大一点，变成大白，再次尝试穿越虫洞，结果这次好像卡主了。
从小中大白穿越虫洞的过程可以得到结论，并不是所有大小的物体都能穿过虫洞。如果大物体弹性极佳，可以尝试硬挤过去，但如果是较硬的物体，则会卡在虫洞瓶颈外而不能通过。注意，这种“卡住”并不是像把大拇指戳进鼻孔里那样被所谓的“虫洞壁”卡住，而是被物体自身卡住，且物体本身并不会感到自己被弯曲了。
假设有个柔韧性不好的二维生物想要穿过一个比自己小的虫洞，则在穿越途中自己的身体左边会碰到身体右边，如果后面有生物推它一把，则它可能会被自己挤出内伤。
综上，虫洞是有大小的，且能通过的最大横截长度为虫洞颈部圆的周长。
<hr/>熟悉了二维虫洞的各项属性之后，我们再来看看三维的虫洞。
三维虫洞出现
https://www.zhihu.com/video/1136669674866581504
视频中展示了两个将要出现虫洞的地点，注意上下前后左右六个方向的不同景色，以便在虫洞出现后辨明方向；当虫洞开始出现时，画面上似乎出现了一个扭曲的圆球，且扭曲范围越来越大，甚至能够看到摄像机背后的景物；当虫洞贯穿后，圆球中心出现对面紫色的景象，且随之放大；摄像机绕着虫洞转动，虫洞内的景象却以相反的方向转动。
可以看到，虫洞虽然是个球形，但并不像我们看一个篮球一样有一个清晰的表面，因为虫洞边缘的扭曲效应微乎其微，甚至不好判断它的边缘到底在哪，唯一明显的边界也就是虫洞颈部，对面空间的“球形全景”的边缘了。
图13.虫洞高清大图
对照图13我们可以简单分析下三维世界虫洞的性质。在进入虫洞颈部之前，虫洞的主要功能是把光线弯曲，在这个范围可以看到虫洞周围的全景影像；虫洞颈部是一个信息压缩地带，光线可能在这里绕很久都出不去，导致虫洞两边的景物在这里被大量压缩，可能有无数个全景影像的信息；过了虫洞颈部，则是另一个空间的全景，边缘部分扭曲得很厉害，中间看起来平坦一点。
穿越虫洞
https://www.zhihu.com/video/1136672066479656960
接下来是穿越虫洞的过程了，视频中为我们展示了正对着穿过虫洞中心、横着穿过虫洞中心以及斜着穿过虫洞的景象。正对着穿过虫洞中心似乎没什么特别的，仿佛就像图像放大一般；横着穿过虫洞中心，看到的景象就有意思得多，满满都是扭曲的画面；斜着穿过虫洞，由前面光线传播过程可知，虽然摄像机走的是直线，但其实依旧绕着虫洞转了个圈，以至于离开虫洞时摄像机有了明显的旋转。要注意的是，摄像机其实一直保持着匀速穿过虫洞，只不过进入虫洞后由于光线扭曲进入摄像机的画面变多，才看起来移动得更快一点。
小白穿越虫洞
https://www.zhihu.com/video/1136673786844901376
然后又到小白出场的时候了。视频中前两个部分为我们展示了小白正对虫洞中心和斜着穿过虫洞的景象，正对中心部分没什么好说的，斜穿虫洞部分，虽然小白走的是直线，但是可以看到被虫洞扭曲了路径，从右下角进入虫洞转了一圈后从左上角出来。视频的最后，不是小白，而是大白从虫洞的另一边穿过虫洞的景象，旨在为我们展示一个接近虫洞颈部大小的物体穿过虫洞会是怎样一种情形，注意到大白几乎包裹住了整个虫洞，只在画面中心留有一个小口。
设想有个比头小一点的虫洞，如果有人想脸正对着虫洞中心把头伸过去，则在虫洞颈部外，他的额头会顶到他的下巴，左颧骨会顶到右颧骨，左太阳穴会顶到右边腮帮子等等，从而过不去。当然这一切他都看不到，他的眼睛看到的是虫洞对面的景象，只有在虫洞外的人会看到他的头扭曲着把虫洞包起来了。
所以说，三维虫洞也是有大小的，且可以通过的最大横截面积为虫洞颈部的球的表面积。
最后，再来说说虫洞大小的区别。对于一个虫洞来说，最直观的属性应该是最大影响范围半径和虫洞颈部半径之比，不同大小的虫洞，如果比值一样，则看上去的画面效果也差不多。
图14.大颈部虫洞
我们还是拿二维的虫洞来描述，图14和图10那种大小的虫洞相比，颈部大了很多，可通过的物体也大了很多，但是颈部到虫洞边缘的距离还是一样大的。设想如果虫洞颈部半径变得无穷大，虫洞边缘看起来就会像圆柱的表面那样，说明虫洞的内径越大，曲率越小，看起来越平坦。
颈部变大的虫洞
https://www.zhihu.com/video/1136668896118669312
那对于三维虫洞来说，内径变大看起来是什么效果？视频中展示了一个内径变大的虫洞，但内径和外径的差值不变。随着虫洞的内径增大，另一个空间的画面也随之放大，中心部分更加平坦，但外围环形全景的部分却被压缩在虫洞的边缘变得看不清了，对比图13差别还是很明显的。
当然上面假设的都是理想的球形虫洞的样子，如果对空间的掌握到了为所欲为的程度，制作出立方形虫洞也不是不可以，这样六个面都是平面，平坦的，也不会出现画面扭曲的效果，唯一麻烦的可能就是棱和顶角的空间性质了，故在此不作讨论。
<hr/>2019/8/14更新
近日在网上找到一个由德国希尔德斯海姆大学物理研究所的Corvin Zahn博士（Dr. Corvin Zahn，Institut für Physik，Universität Hildesheim）在2008年做的“飞越虫洞”模拟：
图片来源：https://www.spacetimetravel.org/wurmlochflug/wurmlochflug.html
简单翻译下描述：
虫洞是两个宇宙或同一宇宙的两个远距离区域之间的可穿越连接。它们是科幻故事中常见的特色，通过它们可以旅行到外星文化。
这里描述的虫洞是爱因斯坦场方程的精确解;它们是由K. Thorne开发的，为C. Sagan的小说《Contact》提供了科学基础。
即使这些虫洞与相对论一致，但它们在实践中遇到了一个小问题：为了以形成虫洞的方式弯曲时空，需要具有负能量密度的奇异物质。在这里描述的虫洞的情况下，这种能量密度的绝对值必须非常高，高达中子星密度的十亿倍。这种类型的物质在我们的宇宙中是未知的。此外，为了可以穿越虫洞，这种奇异物质不得与正常物质或电磁辐射相互作用。
但是这些技术问题无法阻止我们在计算机上模拟虫洞穿越。
这里展示的虫洞将图宾根大学物理研究所前面的广场与法国北部海滨小城滨海布洛涅附近美丽的沙丘连接起来。对于理论天体物理学人员来说，在午餐时间进行短途旅行非常方便。 以及飞越虫洞的视频（和描述）：
为了清楚地显示弯曲空间的特性（它本身是不可见的），在虫洞周围建立了12根黄色棒的立方晶格。杆遵循测地线，即尽可能直的线。可见的扭曲，特别是虫洞后面的杆的扭曲，来自弯曲空间中的光偏转。
八个绿色棒从黄色立方体的角落径向向内指向。在平坦的空间里，他们会彼此接近并在中间相遇。在虫洞的弯曲空间中，它们没有。
在喉部，两个宇宙之间的界面由虫洞连接，斜杆与红色立方体的角相接，其边缘也是测地线。斜杆继续直线进入另一个宇宙。在那里，它们分开并从内部与第三个蓝色立方体的边缘相遇。蓝色立方体的大小与黄色立方体的大小相同。
下面的视频展示了从蒂宾根穿越到滨海布洛涅的过程。 
Flight through a Wormhole
https://www.zhihu.com/video/1145022226029027328
在视频中可以看到，当摄像机在虫洞内部探索时，有这样一幕：
视频截图1
图中偏左的红色立方柱一共有12根，三三相交共8个交点，交点处连接对应的8根绿色立方柱。看到这些数据，可能会反应过来红色立方柱其实组成了一个正方体，交点就是正方体的顶点，但特殊的是，这个正方体的所有顶点和棱都位于同一个平面上。
视频截图2
上图可以更明显地看出来，原本正方体顶点处互相垂直的三条棱，现在位于同一个平面上且两两夹角120°。
为什么正方体变成了一个平面？因为红色立方柱所在的位置正好是虫洞最小的颈部，如果换成二维虫洞考虑，颈部的正方形的所有顶点和边会位于一条直线上，且原本应互相垂直的两条边夹角会变成180°，具体什么情形大家思考下。
虫洞模型
Dr. Corvin Zahn所用的虫洞模型是物理精确的（相比之下为了计算方便，我的虫洞模型的虫洞壁使用的是完美圆形，而虫洞外部分是完全平坦的），所以渲染出来的结果也更接近真实的虫洞（虽说并没有真实的虫洞可比较）。
当然可能是由于2008年计算机能力限制，作者渲染的画面上有很多波浪状抖动，影响效果（按我的经验，应该是计算光线在四维空间中沿着虫洞壁传播的过程中，精度不够导致的方向误差，毕竟精度越高渲染耗时越长）。
按照wiki的说法，作者的虫洞渲染并没有模拟引力效应对光波长的影响（我也没有想到这一层，也没那个能力），所以和真正的虫洞比起来还是会有一点差距，不过也仅仅是颜色上的差异，对于整体效果应该是不影响的。
最后，虽说我的虫洞模拟并不够精确，但是大体上效果还是一致的。而如果大家感兴趣的话也可以去下面链接的网站上看看，主要是通过计算机图像来模拟相对论的各种效应，网站上已有黑洞模拟、虫洞模拟和近光速飞行等各种视频，网站简介翻译如下：
相对论对许多人来说具有一定的魅力。同时，它通常被认为是非常抽象和难以理解的。
理解相对论的部分困难是由于相对论效应与日常经验相矛盾。例如，运动是一个熟悉的过程，每个人“从经验中知道”它既不需要时间膨胀也不需要长度收缩。一个以一半光速飞行的航班可以纠正这种错误判断，然而并不存在。
一个可能的替代方案是模拟。图像、电影和虚拟现实可以让我们在某种意义上体验相对论的飞行、引力坍缩、物体挤压和其他极端条件。 |
