科幻电影中的物理世界

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许多科幻电影中出现的情节都有其物理基础，甚至像《星际效应》更聘请了科学顾问，以相对论来说明时间的相对性，并阐述「虫洞」的概念。

长期处于无重力空间会对人体健康产生负面影响

想像力是发明之母，许多科幻电影所描写的未来事物，如《回到未来》里自动绑鞋带的球鞋、飞行滑板、飞天车等，都已经实现了。
许多科幻电影中出现的情节都有其物理基础，甚至像《星际效应》更聘请了2017年诺贝尔物理奖得主之一的索恩（Kip S. Thorne）当科学顾问，以相对论来说明时间的相对性，并阐述「虫洞」的概念，下面我们谈谈电影里有哪些科学知识。

人造重力

人从一出生，就一直处在地球重力场的环境中。没有重力，不仅日常生活会感到相当不便，长期处在失重的环境下，更会对人体有很多不良的影响，例如体内的钙质就容易流失，造成骨质疏松症。在动画科幻片《瓦力》中，由于人在太空船的失重环境中旅行太久，个个都得了骨质疏松症，每个人只能靠电动浮板行动。这也是为什么太空人无法待在国际太空站太久，必须定期返回地表的原因。

因此，若要人类长期待在太空或作长程的星际旅行，就得想办法产生人工重力，比如让太空船具备一旋转舱，如《火星任务》、《绝地救援》等火星之旅的电影；或让整个太空站自转，像《星际效应》、《极乐世界》等电影，其原理就如同训练飞行员承受高G力的离心力训练机。

超重耐力训练

所谓G力，可以想象成是除了重力加速度外，额外再承受的加速度。例如，战斗机飞行员（其质量是m）因高速回转或俯冲再急速拉起时，倘若其视重成为地表静止时的5倍（也就是5 mg），则飞行员承受4G的力。

所谓视重，可以简单想成用体重计测量到的重量。想象一个人在相对于地面静止的电梯内量体重时，其视重就是其所承受的重力mg。但倘若电梯有加速度，体重计的读数就会改变。当电梯以加速度a向上时，体重计的读数就会增为m(g＋a)；而当电梯以加速度a向下时，体重计的读数就会减为m (g – a)。因此，当体重计读数变成零时，整部电梯正以加速度g 自由落下，称为失重。
由此可知，失重并非没有受到地心引力，而是这时的视重变成零。例如，国际太空站的轨道高度约400公里，在这轨道上重力场强度仍约为地表的89％，但为什么太空站内的太空人呈现失重的状态呢？其实这情况和电梯钢缆断掉而自由落下的电梯情况相似，电梯仍受到地球引力（否则不会往下坠），但电梯内的视重是零。太空站其实是在往下坠，只不过因为太空站有一定的速度，其所受的地球引力成为不断改变其速度方向的向心力，而使其成为绕地球的圆周运动。

电影《极乐世界》中的巨型环状太空站可以像训练飞行员的离心力训练机一样，靠旋转来产生如地表的人造重力。或许有人会质疑，难道《极乐世界》中的居民不会因旋转而感到头晕不适吗？

用简单的数据计算一下。倘若电影中的极乐世界太空站半径10公里，要靠自转产生如地表的重力加速度（g＝9.8 m∕s 2）时，自转的周期约为200秒，也就是超过3分钟才会转一圈，相信绝大部分的人不会因此而感到不适的。
更重要的是，不管是在轨道上的太空站或是进行星际间旅行的太空船，所在的位置几乎都是真空，也就是没有空气阻力。因此，一旦太空站开始旋转，它不需要持续用能量来维持这样的自转。这是人类将来在太空长期生活要产生人工重力时，最经济且简单可行的方式。

彗星撞地球

地球历经了许多次生物的大灭绝，其中有些已证明与小行星或彗星撞地球有关。最近的一次就是约6,500万年前的一颗直径约为10公里的小行星撞击事件，造成一个位在墨西哥犹加敦半岛的撞击陨石坑─希克苏鲁伯陨石坑，直径约180公里。

这事件是全世界所有已知爆炸事件中规模排名第1的，相当于100万亿吨黄色炸药（10 的14次方吨TNT当量）。现代核弹的威力约为百万（10 的6次方）吨TNT当量，而轰炸广岛的原子弹「小男孩」威力只有15,000吨TNT当量。难怪这样的小行星被称为地球杀手，一直是人类生存的最大梦魇！

1998年的电影《世界末日》，描述人类发现了足以毁灭世界的小行星正朝着地球而来。为了避免6,500万年前的事件重演，美国航空暨太空总署决定派太空人乘坐太空梭登上小行星，在小行星上面钻洞埋设核弹，企图以核弹爆炸的威力来消灭小行星，消弭又一次大灭绝的危机。
这样的剧情和做法似乎合理，然而该片却被航空暨太空总署选为历年来最瞎扯科幻电影的第3名！主要的问题在哪里？又是哪里违反了科学原理、物理定律呢？问题在于在物体内部爆炸是属于内力的作用，系统动量仍是守恒的，因此不会影响系统质心的运动。换言之，除非核弹爆炸的威力能把小行星整个变成够小颗粒或充分散开，否则原本会撞上地球的，爆炸后依旧会撞上。因此，不会有电影后段所言：爆炸后小行星残骸的主要碎片与地球相距400英里擦身而过。而是化作流星降落地球。

星际旅行

就算人类可以避过像核战毁灭、行星撞地球、超级火山爆发这些危机，未来还是得面临一终极挑战─地球资源有限，而太阳也有一定的寿命。因此，寻找类地适居行星进而移民，是人类文明或地球生命延续??的希望所系。

然而，宇宙是浩瀚无垠的，星球间的距离相当遥远。以目前火箭的速度要前往火星，单趟少说也要半年的时间，更遑论要移民至别的太阳系的类地适居行星。举例来说，旅行者1号是美国宇航局于40年前发射的太空探测器，目前正以每秒约17公里的速度离开太阳系向外太空驶去，可以说是目前最快的人造飞行器。但若以这样的速度要抵达距我们最近的另一太阳系的半人马座比邻星（距地球约4.22光年），至少得花约1万8千年。

由此可见，要实践星际旅行首先必须克服的就是距离的障碍。有些科幻电影像《星际争霸战》中常见到太空船以曲速航行。曲速的概念是建立在空间可以弯曲的构想上，理论上可行，只是目前还没有稳定又经济可行的方法可以把空间弯曲重叠。

另一个在科幻电影中常用来实践星际旅行的方法，是利用所谓的「虫洞」。虫洞可以视为连接不同时空的隧道，而「黑洞」是时空的奇异点，是自然界最可能造成虫洞的地方。在电影《星际效应》中，航空太空总署就是发现这种虫洞，才决定派出太空探险队为人类找寻新出路。片中靠近黑洞时出现的引力时间膨胀，是基于爱因斯坦的一般相对论的预测。因此，剧中男主角虽只待在靠黑洞最近的行星几小时，在地球上却已过了23年。

以上几种星际旅行的方式，大部分是理论推测，至少在短期内人类的科技是无法达到的。若要在数十年内实践星际旅行，至少要有更具威力的推进器与冬眠技术。

目前，所有太空船引擎推力的来源，还是依靠传统燃烧的化学能。但要飞得越远，火箭燃料就要载越多，整体质量会变得更笨重，且这种燃烧方式很快便会耗罄燃料。因此，若要做星际旅行，便要有新一代的引擎，必须利用核能或其他型态的能量。

即使有了新一代的引擎，并且可以让太空船速度达到光速的一半，但以这样的速度要抵达距我们最近的比邻星，也要将近10年的时间。如何让太空人在太空内待10年之久？最简单的方式就是让他们睡觉，等他们一觉醒来就抵达目的地了。

有很多科幻电影像《星际过客》、《普罗米修思》、《阿凡达》等，就描述过这样的情节─太空人可以用休眠的方式度过漫长的旅程。不过，休眠期间人还是会慢慢衰老退化，虽然这种休眠能减缓人体细胞的分裂速度，但还是会弱化人体肌肉的力量，如同长期卧床病人所出现的肌肉萎缩症状，这都是有待克服的瓶颈。

总结

自古人类就经常仰望星空，对满天的星辰有无数的憧憬和想像。就如同《星际争霸战》影集中企业号寇克舰长每次在片头的旁白：太空，最后的疆界……将来人类以及所属的文明要延续，希望就在这无穷无尽的星空中。让我们共同期待继哥伦布发现新大陆之后的另一次人类大迁徙，我们的后代能在星系间开枝散叶。


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