科幻電影中的物理元素

※09年寫的《物理與人類文明》結課論文。那時還沒有看《Star Trek》，有所紕漏還請見諒。

引言

科幻電影是好萊塢類型電影里的一個分支。它的情節往往包含了各種各樣的科學奇想，有依附於現有已知科學定理的，也有關於未來圖景的超前假想。

和其它類型電影一樣，科幻電影是電影工業化的產物，其人物、敘事和主題都有一定的模式，就像批量生產的聖誕節商品，主要目的是滿足人的娛樂需求。作為類型電影的缺陷也很明顯，大部分科幻電影往往注重視覺奇觀而缺少深刻的內涵。當然，其中也不乏一些在美學、思想和歷史上有價值的經典作品。

科幻片與魔幻片、靈異片的不同之處在於，其被幻想出來的因素必定有一個科學依據的支持，哪怕這個科學依據看起來很瘋狂。贏得一個能夠自圓其說的科學支持，可以大大增加影片的真實感和可信度，達到以假亂真的效果。

提到科學，物理學當屬所有自然科學的基礎之基。好萊塢導演們在尋求科學理性的支持的時候，往往會借鑒許多物理學科前沿的理論和技術。但有時由於非專業的因素，也會留下不少Bug，這時懂行的觀眾就可以在台下為製作方掩嘴偷笑了。

以下，筆者將例舉一些最為科幻影視作品所鍾情的物理元素，從中探尋科幻電影和科學尤其是物理學之間的聯繫。

-力學、運動學-

超人的速度

曾經有過一則關於超人飛行速度的分析：

「讓我們假設人類可以飛，路易絲?萊恩以32英尺/秒平方的初始加速度下墜，超人突然下降用鋼鐵般的手臂接住她，萊恩小姐此時大約速度在120英里/時，猛撞上超人的手臂後 她會立刻被切成三等分……如果超人真的愛路易斯的話，就應該讓她直接摔在地上，那會是一種更仁慈的死法。」

好萊塢傳統的科幻電影中常常充斥著濃重的美國式個人英雄主義情結。為了突出英雄的人物形象，編導方會採用「超能」「超自然」等設定來吸引年輕人的眼球。

正所謂魚和熊掌不可兼得。一方面宣揚影片的科學主題，一方面卻毫不留情地打破已知的動力學定律。這使得以超能英雄為主角的科幻電影經常落得「荒謬」 「低幼」等詬病。

說到《超人》系列，影片中提到過一種廣為人知的綠色固體物質「氪」，是超人的剋星。有趣的是，現實世界中確實存在氪這種物質。它的符號是Kr，在元素周期表上排名36位，屬於惰性氣體一族，常溫下呈氣態，無色無臭無味。亦是說，要得到能刺穿超人身體的氪石，萊克斯?盧瑟必須保證周圍溫度在-156.6℃以下才行。

-天體物理學-

太空旅行

科幻作品之所以受到大眾的喜愛甚至科學家的褒獎，一個非常重要的原因是由於它所包含的「超前意識」。這點在歷史上第一部科幻電影——法國Georges Méliès的《月球旅行記》（Le Voyage dans la Lune）中就已經體現出來了。該片於1902年上映，敘述了一群天文學家乘坐炮彈到月球探險的故事。1969年7月阿姆斯特朗乘坐阿波羅11號宇宙飛船登上月球，終於實現了人類月球旅行的美好設想。

小行星撞地球

在太陽系，火星和木星之間有一個小行星帶。生物界有一種很盛行的說法：恐龍的滅絕由小行星撞擊地球所致。

那麼地球和小行星相撞的幾率到底有多小呢？美國宇航局將其定位於30萬分之一。30萬分之一是什麼概念呢？做個參考，每年因飛機事故而死亡的概率約為75萬分之一，因交通事故而死亡的概率約為五千分之一。但是最重要的並不是數值的確切性，而是存在人類因小行星撞擊地球而滅亡這一可能性的事實。如果地球真的和小行星或者彗星相撞的話，其破壞力將不可估量。1994年7月17日，發生了著名的蘇梅克-列維九號彗星（Shoemaker-Levy 9, SL9, D/1993 F2）與木星相撞事件。彗星的21塊碎片與木星發生了連續的碰撞，撞擊在濃密的氣體形成的木星的大氣中，造成了一個相當於兩個地球大小的暗洞。那次撞擊的威力達六兆噸TNT炸藥，能量相當於全球核武器儲備總合的750倍。

隨著航天科技的發展，太空災難成為好萊塢科幻電影主題的頻率也在逐年增高。1998年上映的《天地大衝撞》（Deep Impact）就是一個典型，它講述了彗星撞擊地球，以及人類如何去應對這場災難的故事。

作為一部科幻災難片，《天地大衝撞》具有相當重要的現實意義，它給人類的未來敲響了警鐘。今年年初，歐洲航天局啟動了太空監控網路建設計劃，其中一個目的就是為了防範近地小行星威脅地球安全。

-光學-

隱形

007系列裡，詹姆士.邦德開的跑車總是走在時代的最尖端，輕便闊氣且功能強大，令人無比驚羨。《擇日而亡》（Die Another Day）中，邦德的坐騎Aston Martin V12更增加了不可思議的隱形功能，可以在關鍵時刻和周圍環境融為一體，幫助主人躲過了敵人的追擊。

《哈利.波特》（Harry Potter）魔幻主題系列電影的主人公也擁有一件神奇的隱形道具——隱形衣。雖然這件隱形衣已經不屬於科學範疇了，不過，J.K.羅琳的這種獨特的想像在現實生活中卻完全有可能實現。

人能看到物體，是因為光照到物體後被反射到人的視網膜上。因此物體的隱身應該屬於一個光學問題。實現隱形一般有兩條路可走。一種是尋找能夠吸收可見光的特殊材料。另一種就是改變物體對光線的折射率，讓電磁波「拐彎」，繞過物體。由於天然隱形物質至今未被發現，更多的科學家把目光集中在了後一種方法上。

在2006年6月的《Science》上，蘇格蘭聖安德魯大學理論物理學家Leonhardt和倫敦大學帝國學院的Pendry教授分別提出採用超穎材料（Mentamaterial）——一種電磁性質由材料的形狀而非化學性質決定的粒子複合材料——來實現隱身。電磁波遇到材料，既無反射，也不成影，而是繞過繼續正常向前運動。超穎材料可以使光線改變方向的特質源與其「負折射特性」，由俄國科學家Veselago於1968 年提出：當光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規折射相反，入射波和折射波處在於界面法線方向同一側。

光劍

光劍(Lightsaber)是《星球大戰》影片中絕地武士（Jedi）使用的作戰武器，被設定為由一種特殊的水晶原料製成，它能將光劍電池的能源集中並釋放為狹長如刃的光束。一旦釋放能源，能量會從充滿連續正能源、位於把手中央的鏡頭射出。然後能量束折回到一個充滿負能源的高能流通孔里。一隻超導體會把流回的能源轉換回電池。這樣以來，光劍只在劍刃切穿物體的時候才會消耗能量，劍刃未接觸物體時不釋放能量。

美國電視台的歷史頻道曾做過一期名叫「星戰技術」（Star Wars Tech）的特別節目，其中的科學家認為光劍是一種等離子體（可見美國人對於科幻的痴迷程度）。並且要使光劍達到能夠切割金屬或者石塊等物質的硬度，至少需要達到大約兩億度的高溫。如果是比較冷的等離子體，像電影中所表現出來的那樣，等離子將缺乏足夠的能量，結果是只能繞過物體並有可能引發燃燒。

看來，要使光劍在現實世界被製造出來，僅找到那種特殊水晶恐怕還不夠，還必須掌握小範圍可控核聚變的技術才行。

-聲學-

太空激戰的轟鳴聲

這已經成為科幻電影中最具代表性的科學漏洞了。眾所周知，產生聲音的條件必須有兩個：聲源和介質。聲源震動，聲音以波的形式在介質中向四面八方傳遞。因此在真空中我們是聽不到任何聲音的。理論上，諸如《星球大戰》、《星際迷航》等等所有的描繪太空激戰的影片都應該是默片。無奈的是，似乎所有導演都已經對內達成一致，對這個細節心照不宣。於是我們只好任由一部又一部的影片重複同樣的低級錯誤。

-原子核物理學-

人造太陽

能源問題如今已經成為人類發展歷程的一個巨大路障。儘管可控核裂變的技術已為多個國家所掌握，但是作為核電站的燃料鈾元素在地球上的儲量有限，人們遲早要面臨鈾礦枯竭的危機。相比資源有限且會產生放射性污染的重核裂變，資源豐富的輕核聚變無疑是更為清潔、更為理想的選擇。

可控核聚變的夢想也在多部科幻影視作品中被表達過。比如《蜘蛛俠Ⅱ》（SpidermanⅡ）就講到能源科學家Dr. Octopus製造出了一個小型太陽。由於一次實驗故障，Dr. Octopus不幸被自己製造的機器手所控制，轉而成為影片的大反派，並最終被蜘蛛俠擊敗。

理論上，可控核聚變約束等離子體的方法有三種：引力約束，磁約束，激光慣性約束。最後一個是我國著名科學家王淦昌先生獨立提出的概念。即利用幾束強激光同時照到氘、氚混合燃料丸上，在高能激光的照射下，使D-T微球產生高溫，在氣化飛濺的同時產生向內的壓強縮力，從而使達到高溫、高密度的聚變反應條件。

同樣，《蜘蛛俠Ⅱ》中有一個場景：一顆D-T微球懸浮在空中， Dr. Octopus用機械手開啟包圍它的球形裝置上的激光束，瞬間點燃了燃料丸。現在想來，這個場景其實就是將王淦昌先生的設想可視化了一下。只是不知道向來重視知識產權的美國人有沒有意識到，這個設想的原創最初來自於中國。

中微子

最近在全球各大影院熱映的影片《2012》引發了一場「末世論」的風暴。根據影片內容，在2012年將爆發極其猛烈的太陽風暴，太陽產生的巨量中微子令到地球的地心加熱，然後使地殼溶化並移位，隨之而來就是火山爆發、地震、海嘯等種種你可以想到的任何災難。

《2012》把引發地球末日危機的罪魁禍首歸給了中微子。然而具備基本物理知識的人都知道，雖然中微子穿透力極強，但它幾乎不和其它任何粒子反應，只參與微弱的弱相互作用。「中微子加熱地心」一說可謂無稽之談。由此可見，科幻電影和真正的科學是有一定距離的。

雖然科幻電影在製作過程中難免會違背基本物理學定理，但是那些天馬行空的藝術想像力卻能對公眾造成切實的影響，因而也就有可能對科學發展發生影響——也許在未來的某一天，也許現在已經發生了。災難的預演往往暗含了一種悲天憫人的思想，我們不妨把它可以理解為對科學技術的一種人文關懷。

-相對論-

時間旅行

時間旅行的概念最早出現在科幻作品中。1895年，威爾士(H.G.Wells)出版了科幻小說《時間機器》（The Time Machine）。小說中展開了一段利用「時問機器」在未來世界歷險的想像。此時距相對論問世還有十年。科幻作家的預見性由此可見一斑。

1905年，愛因斯坦在狹義相對論中指出：一個人如果做高速運動，時間對他來說就會變慢；如果他的運動速度趨近於光速，時間對他來說就會近乎停滯。同時，狹義相對論認為，光速無法超越，時間不可能倒流。然而廣義相對論被提出後，許多科學家從中看到了時間旅行的可能性，包括諸如「一位航天員可以在他出發之前即回到地球」的假想。

但若人類能回到過去，會在理論上產生一個嚴重問題。本來在我們的常識中，因果律是天經地義的——任何事情有因才會有果，原因只能發生在前，結果必然產生於後。但是一旦人可以回到過去，因果律就要受到嚴峻挑戰。例如，假定一個人回到過去並且將他人在孩童時期的祖先殺死，那這個人的存在是否還有意義？類似的問題可以舉出很多，但是它們本質上是同理的：如果一個人可以自由地改變過去，則他可能會遭遇邏輯上的矛盾。

對於眾多科幻電影，「時間旅行」常常成為它們的靈感源泉。維護因果律的如《12隻猴子》(12 Monkeys)，挑戰因果律的如《終結者》(The Terminator)系列，改變歷史的如《羅拉快跑》(Run Lola)、《蝴蝶效應》(The Butterfly Effect)。同物理學家們所爭論的一樣，這些影片無一不牽扯到時間旅行的因果律問題。

現今能夠解決這個問題的最具說服力的當屬「平行宇宙」（Parallel Universes）理論。該理論認為，在時空旅行中，有可能產生新的平行世界。這個構想由Hugh Everett 於1957年在《現代物理評論》發表，初稱之為「多重宇宙理論」（Many Worlds Theory）。他認為，在量子力學中，每當一次測量完成，則被呈現的只是諸多可能的結果之一，其餘可能的結果雖不能呈現，但它們並非不存在，而是在另外的宇宙中繼續存在。每次回到過去所做的改變歷史的行動，都可能產生出一個新的世界。

這種高度抽象的「多世界」理論也被科幻電影引入過（歐美SF系漫畫中則借用得更多）。例如在《回到未來》(Back to the Future)、中，Dr. Brown向Marty解釋「平行世界」時，在黑板上畫的示意圖正是出自霍金的《時間簡史》。目前，物理學家認為，回到過去的個人行為不可能改變歷史。至於為何，他們只是堅信「物理學定律會阻止」時空旅行者改變歷史，而未能給出完善的解釋。

結語

據統計，美國是科幻電影產量最大的國家，也是諾貝爾物理學獎獲得者最多的國家。筆者相信這絕不是巧合。James Oliver Robertson在《美國神話，美國現實》一書中評說：「科學始終是美國信念的一部分。19世紀後半葉，它同美國人對進步的信念結合在了一起。相互結合的進步神話和科學神話開始主宰美國人觀察自己以及世界的方式。」可見科學之於美國人已經如同一種信仰。

科幻電影亦可以看作是這種信仰的體現。只不過，它可以是輕鬆的、隨意的，不像宗教畫那樣必須要正襟危坐地去瞻仰。它有時預演災難以起警示作用，有時以誇張的超能幻想製造純粹的感官衝擊，有時也會顯得不切實際且漏洞百出。正如科學一樣，只要有理可循，都能成一家之言。

科幻作品與物理學科的發展也有著明顯的相互促進作用。科幻作品提供物理學家無盡的設想，物理學給予科幻實現夢想的可能。科幻作品讓物理從一門晦澀的學科變得平易近人，物理學原理把科幻作品點綴得妙趣橫生。

至於我們觀眾，欣賞科幻電影享受視覺盛宴的同時，決不能盲目迷信，而是應當充分調動我們的科學知識來明鑒真偽，做到理性看待。

參考資料

盛正茂-葉高翔《物理與人類文明》 浙江大學出版社

江曉原《好萊塢科幻電影主題分析》 《自然辯證法通訊》2007年第？期

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