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◆ 2026 年 1 月至今 / Annenberg Fellow(安纳伯格研究员)· LARC,Templeton Foundation 资助

Dark Matter
Interactive Experience

Lyman-Alpha Forest Research Collaboration 的一部分。开发中的暂定名是 Journey of Light。

一段实时旅程:观众化身为一束光,从遥远的类星体一路飞到地球。沿途可以看到,望远镜看不见的暗物质,是怎样塑造了光所穿过的气体。

在气体中穿行,或者按键把气体拉过来。光束每穿过一团气体,光谱上就少一条线。

我们知道暗物质存在,是因为它会影响看得见的东西。所以这个模拟让观众改动暗物质,再看那个影响怎么变。

  • 把整个体验设计成互动游戏
  • 程序化生成模拟宇宙;模拟并可视化暗物质如何塑造气体和莱曼 α 光谱
  • 主持试玩测试,重做了新手引导;在科学家和设计师之间做协调

我的角色

Annenberg Fellow(安纳伯格研究员)

时间

2026 年 1 月至今

导师

Sean Bouchard 教授 & Martzi Campos 教授

合作方

USC · UC Riverside · Carnegie Science Observatories

技术栈

Unity · Houdini · getReal3D · 立体 3D 曲面显示屏

状态

2026 年 10 月,Alpha 版在 VizLab 显示墙上运行。2026 年 5 月做过试玩测试,20 人参加

项目

让公众走进暗物质研究。

宇宙里大部分物质是看不见的。LARC 借遥远类星体的光来绘制它的分布,这个体验则让公众自己顺着这些证据走一遍。

LARC,全称 Lyman-Alpha Forest Research Collaboration,是 USC、UC Riverside 和 Carnegie Science Observatories 三家合作的宇宙学项目,由 Templeton Foundation 的一笔经费资助。它研究的是莱曼 α 森林:星系之间的氢,会在遥远类星体的光里留下一条条吸收线。这些线描出每条视线上气体的分布,也就连带描出了暗物质,因为气体能聚在哪里是暗物质决定的。

Dark Matter Interactive Experience 把这项研究带到公众面前。它为 Carnegie Science Observatories 在 Pasadena 的大型显示屏而做,以立体 3D 放映:观众戴上 3D 眼镜,看到的宇宙是有纵深的。观众化身为一束大约 120 亿年前离开类星体、正飞向地球的光,一路看着穿过的氢把莱曼 α 森林写进自己的光谱里。

渲染出的体积画面:纤维状结构和明亮的节点在黑暗中铺开,这是宇宙中物质的大尺度结构
用模拟数据渲染的宇宙网。物质聚集在明亮的节点上,节点之间的纤维决定了物质能聚在哪里。

对公众的价值

暗物质是科学里最难向公众讲清楚的概念之一。证据是间接的,要从光和气体里读出来,而一张看起来很有说服力的图很容易把人带偏。文字、静态图片和示意图都很难表现这样一种东西:我们对它的全部了解,都来自它对看得见的东西做了什么。在这里,观众亲手改动它,看到效果,地点是一座对公众开放的天文台,每一个视觉决定都经过研究它的科学家审核。

这个体验的做法本身也想留给别人用:凡是讲人看不见的东西的严肃游戏和模拟,都可以拿它当一个可用的样板。哪些做法可以沿用,写在“研究”一节。

我的部分

把体验当成游戏来设计。

整个体验是我作为互动游戏来设计的。模拟宇宙的程序化生成是我做的,暗物质如何塑造星系间气体和莱曼 α 光谱的模拟与可视化也是我做的。试玩测试由我主持,新手引导根据测试结果由我重新设计。我还负责科学家和设计师之间的协调,主持项目会议,为研究团队和 Templeton Foundation 准备进度材料。

开发是 USC 的团队工作,由 USC School of Cinematic Arts 的 Sean Bouchard 和 Martzi Campos 指导。科学内容,以及对每一个视觉决定的审核,来自 LARC 的研究人员。天体物理和 LARC 的研究计划本身不是我的工作。

我在这里研究的问题是:怎样让人通过玩,理解一个看不见的原因。具体说就是,允许观众改什么,什么时候把控制权交给他们。

架构

从预先算好的物理,到一面 3D 曲面墙。

体验在 VizLab 显示墙上用 Unity 运行,用手柄操作。计算量大的科学部分在运行前就算好了,观众旅行时只是回放。

预先准备光谱,由宇宙学和实测的氢吸收算出;气体体积在 Houdini 里制作
手柄环顾光的四周,以及暗物质控制
Unity 里的旅程从类星体到地球,每个阶段一个场景
VizLab 显示墙七排屏幕,从地面弯到头顶,立体 3D
体验的组成。

旅程

观众化身为光,沿一条固定路线走:离开类星体,穿过氢云和宇宙网,经过一个星系,进入银河系和太阳系,最后落到地球。每个阶段是一个独立场景,走到尽头有一道关口,交给下一个场景。所有变化的时机由一个脚本统一掌管,所以世界、天空、速度和光谱都在同一帧切换,切换时用一个镜头运动把画面遮过去。

  1. 类星体
  2. 氢云
  3. 宇宙网
  4. 一个星系
  5. 银河系
  6. 太阳系
  7. 地球

拖动光,从类星体移向地球。

波长更短莱曼 α波长更长

画的是光到达地球时的光谱。早遇到的云在莱曼 α 峰旁边留下线,后遇到的云留的线更靠左;合在一起就是“森林”。这是为本页画的示意图,没有用项目的数据。

光谱

在显示墙上,光的光谱一直跟着观众走。它跟踪的是一颗类星体的光,从发出到抵达地球,距离取的是莱曼 α 森林一张经典图里用的那颗类星体。物理在事前算好,依据是标准宇宙学和实测的氢吸收,观众旅行时只做回放。空间把光拉长,发射峰就滑向长波一端;每一团氢云都在光谱上切出一条线。一团团云是生成的,但平均吸收量和实测吻合。到地球时,光谱落定成那张熟悉的图。光谱系统是我和团队一起做的。

气体和暗物质

宇宙网用粒子系统和体积气体画出来,把 Houdini 做的气体体积导进 Unity 的办法是我解决的。暗物质单独放一层,和星系、气体分开,这样观众才能把它调出来看,并且改动它。

显示墙

VizLab 显示墙由 35 块屏幕组成,七排,每排五块,在竖直方向弯过大约 124 度,从观众脚前的地面一直弯到接近头顶。它通过 getReal3D for Unity 以立体 3D 运行,观众戴上 3D 眼镜,气体、星系和光的路径都有纵深。按平面屏幕尺寸排的文字,到了这道弧面上会被拉开。与视线齐平的那一排几乎是竖直的,所以常驻文字放在那里,其余一切都放进场景里。镜头跟在光后面,观众环顾光的四周。

实验室里弯曲的 VizLab 屏幕墙,从地面升到天花板,显示着深蓝色的太空,下排屏幕上是类星体发光的盘 实验室里一面弯曲的显示屏墙,显示着绿色的标题 Journey of Light 和“Press A to start”的提示,顶角有调试信息叠层
左:在 VizLab 墙上运行的版本,类星体的盘在下排屏幕上。右:标题画面,调试叠层开着;玩家手持手柄,按 A 开始。戴上 3D 眼镜,墙上的场景是有纵深的。
研究

把看不见的原因显出来。

整个设计立在科学里的一个事实上:我们对暗物质的全部认识,都来自它对看得见的东西做了什么。所以观众先接触到的是它的效果,它聚起来的气体、气体在光里留下的线,然后才看到它本身,才拿到控制权。另一方面,体验既要在科学上站得住,又要让完全没有背景的观众看明白。这两头几乎在每个设计决定里都互相拉扯,所以我直接和科学家一起把它们定下来。

试玩测试

2026 年 5 月,我们在实验室做了第一次试玩测试,20 人参加,比较 A、B 两个版本,用问卷和游戏内数据来衡量。场次是我约的,问卷是我写的,数据埋点也是我加进版本里的。

参与人数
20
比较的版本
A 和 B
没有完全弄懂暗物质控制
20 人中 12 人

作品里的科学内容没有错。问题出在顺序:控制权交到观众手里时,他们还不知道它代表什么。测试记录还显示:弹出文字闪得太快,读不完;莱曼 α 森林的图大多数人看不懂;镜头和前进方向让人迷糊;新概念一下子来得太多,类星体、光年、莱曼 α、暗物质。大家最喜欢的是拿着自由镜头随便玩。

重新设计

新手引导围着因果关系重做了。它从光离开类星体之前就开始,把一条链一步一步走完。在把暗物质控制交给观众之前,先把那个看不见的结构作为一个悬着的问题提出来。

光遇到氢
少了一种颜色
少掉的颜色就是一条暗线
这些线是一份记录
有什么看不见的东西排布了这些氢
然后才是控制
观众拿到暗物质控制之前,新手引导走过的这条链。
2026 年 5 月现在

暗物质控制

一个开关,很早就交出去

一个滑杆,提出问题之后才交出去

移动

一根移动摇杆加自由镜头

只能环顾,镜头跟着光走

旅程

包含引力透镜

听取科学家意见后,去掉了引力透镜

新的顺序还没经过试玩测试。目前正和科学家一起审核,下一次试玩测试就测它。

给其他严肃游戏的样板

这个项目同时也是一个可用的样板,给那些讲人无法直接观察的东西的严肃游戏和模拟。能沿用的是它的做法。

科学内容和科学家一起准备

计算量大的部分事先根据已发表的数据算好,每个视觉决定都由科学家审核。

先有问题,再给控制

每个控制都是在回答一个问题。游戏先把问题提出来,再把控制交出去。

试玩测试要检验理解

测试不只问观众玩得开不开心,还要量他们是否明白自己改动了什么。

简化要说明

画面偏离物理的地方,取舍是和科学家一起定的,并且明说出来。

引擎画面

当前版本。

Unity 当前版本的截图。

从吸积盘上方看到的类星体:明亮的中心射出一道喷流,周围是旋转的橙色气体
类星体,从吸积盘上方看。旅程从这里开始。
近距离看到的黑洞和它的吸积盘,旁边有一颗亮星
类星体中心的黑洞和它的吸积盘。
从较低的角度看黑洞和吸积盘,盘的地平线上方有一颗星
同一个盘,从气体所在的平面上看。
引擎里的宇宙网:紫色的纤维横穿黑暗的太空,交汇处是亮黄色的节点
引擎里的宇宙网,物质沿着纤维聚集,形成明亮的节点。
一个核心明亮的旋涡星系,从上方看,背景是黑色太空
路上经过的一个星系。
一个斜着看到的蓝色旋涡星系,旋臂上点着星光
接近银河系,旅程快到终点。
下一个

在 Pasadena 的公共装置。

2026 年 10 月到了 Alpha 版,现在靠和科学家的定期评审一轮轮打磨。

更大的目标是在 Carnegie Science Observatories 位于 Pasadena 的显示屏上做一个公共装置,把 LARC 的暗物质研究带给更多人,再做一个网页版游戏,把同样的内容带到场馆之外。团队还在做几个放在旁边的小型互动,比如一个可以把暗物质开开关关的星系。VR 版本在讨论中,作为更往后的一步。

概念图:一大一小两位观众站在一面大型曲面显示屏前,屏上是一个旋涡星系,孩子指着它
Carnegie Science Observatories 在 Pasadena 的显示屏概念图。作者:Martzi Campos 教授,USC SCA。

计划产出

  • 在 Carnegie Science Observatories 位于 Pasadena 的显示屏上的公共互动装置。
  • 一个网页版游戏,把同样的内容带到场馆之外。
  • 一篇论文,讨论如何把宇宙学模拟转化成面向公众的互动体验,正在准备中。
技术附录:光谱、显示墙和科学上的约束

光谱,再细一点

类星体设在红移 3.62,也就是 Q1422+2309 的红移,所以这束光是大约 120 亿年前发出的,离大爆炸不到 20 亿年。光的每一步都在编辑器里跟踪:先以典型的类星体光谱发出,再按 Planck 2018 宇宙学随空间膨胀拉长,沿路被氢吸收,吸收率取各红移处的实测平均值。每一步都存下来,体验运行时显示墙只读取当前时刻那一步。有些输入还在和它们所出自的论文核对。

曲面墙上的实时渲染

大画幅改变了工程上的难点。填充率成了主要瓶颈,因为每一帧要给两只眼睛各画一遍;在笔记本上舒服的运动,放大到这个尺度会让人晕;按显示器排的文字,站在观众的位置上读不到。体积气体很费资源,所以同一时间只有一团气体真正以体积方式绘制,远处的云都画成平面图。

科学准确性

科学家审核每一个视觉决定。常见的风险有:色标暗示了一个并不存在的量;粒子密度是为了好看而不是按模型取的;时间压缩让结构的形成看起来快过任何物理过程。很大一部分工作就是决定哪些简化可以接受,并在简化的地方说明。