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《地心引力》里面的技术和事实

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  很久没有这样期待过一部电影了,从最早看过激动人心的预告片到现在过好几个月了,期间一直惦记着。因为不能影院,就只能等高清版的下载。也许因为期待过高,又没有3D的效果,看完之后还是有一点点失落,当然只是相对来说。总体上这部电影仍然是我看过此类中较好的,中间有两次都掉泪了。
  如果要求高一些,这个片子还是有一些问题。
  
  先从名字说起,Gravity其实是引力的意思,也就是牛顿经典物理学中的万有引力。但是如果按照爱因斯坦广义相对论的定义,引力其实是空间的曲率,引力是来源于物质对空间的扭曲,也就是说,并没有我们过理解的那种吸引力,而是空间的“形状”改变了。而且根据广义相对论,引力还会造成光线的偏折。也许翻译成“地心引力”并没有科学上的涵义,只是为了容易让人理解,或者为了修辞的需要,但我总觉得这里面缺少一种科学的严谨,因为引力并不来自地心。
  另外我还想澄清一下,我们看到的失重状态并不是因为地球外围就没有引力了,而是引力被离心力抵消了。实际上在地球外围几百公里高度引力仍然非常大,甚至比地面也少不了多少,之所以飞船和宇航员能保持一种失重和相对静止的状态,是因为它们在高速的围绕地球旋转,在特定的旋转速度下,离心力和引力会相互抵消,它们之间就会保持一种相对静止。地球和太阳之间能保持相对位置也是因为公转,月亮能和地球保持相对位置也是因为公转。
  
  故事的背景是,NASA的航天飞机在修理哈勃望远镜,然后遇到了卫星碎片的袭击。
  航天飞机维修哈勃望远镜过有过很多次,甚至哈勃望远镜就是航天飞机运载进入太空的,如果没有航天飞机,哈勃望远镜是不会存在的,而且也是航天飞机在保障哈勃望远镜的运行。但是因为航天飞机安全系数不高,曾经出过两次坠毁事故,美国已经在2011年就把航天飞机全部退役了。也就是说,这个故事的剧本相对来说有点过时了,就好像是在说过的事情,而不是当下和未来,航天飞机维修哈勃这样的任务很激动人心,但是已经变成遥远的回忆。
  关于卫星碎片的问题,故事假设的背景是,Russia击毁了自己的军用卫星,然后卫星碎片又撞毁了其他的卫星,然后引起了连锁反应,撞毁了其他的卫星和空间站。首先,现在好几个国家都有反卫星的能力,包括美俄中三国都进行过此类试验,其他的欧空局和日本估计肯定也有能力做到,这个背景是没有问题的。问题是,空间碎片是否有如此大的毁伤能力,除非是故意做的定向,目标就瞄准各个飞行器的轨道,不然在茫茫太空,各个飞行器的高度和轨道都不同的情况下,相撞的概率还是很低的。太空中的碎片好像有几十万个之多,但是真正发生相撞的仍然很少,就是这个原因。
  
  然后是关于逃生的过程,这里面我也有疑问,首先我查了一下国际空间站(ISS)的轨道高度是300-400千米,哈勃的轨道高度是接近600公里,基本上差距有两百多公里,这还只是垂直的高度,另外还有相对运行的距离,可能会更远,也许在太空移动比较容易,不然只靠航天服的推进剂,推动两个人加航天服的重量在几分钟内转移到国际空间站好像有点困难。还有女主角从国际空间站转移到天宫也存在类似的问题,就是距离上好像有点巧合了。而且用着陆的反推火箭加速,似乎也存在一点疑问,当然这个需要计算过才能知道。我担心的是,在飞船着陆舱和推进器轨道舱分离的时候,会不会造成飞船的指向偏离。当然,着陆舱上也有矢量推力修正,但是影片中并没有表现出来,也许对于一般观众,这样的细节不那么必要。
  另外还有一个问题是,天宫预计到2020年才能建成,在时间上和维修哈勃也有偏差。
  
  其实和地心引力类似的电影也有一个,就是《阿波罗13号》,讲的是阿波罗13号登月遇险的真实故事,由汤姆汉克斯主演,几乎是纪录片的风格,而且我个人觉得那个故事比Gravity要更加震撼人心,而且结局也是令人欣慰。而这部电影里面表现出更多的是绝望,它似乎更加印证了人们对于太空危险的假设。或者说,它表现的就是人类对未知探索的一种深层恐惧,而且缺少了一些希望。
  
  在《阿波罗13号》中,因为服务舱发生泄漏,最终三名航天员乘坐登月小艇,通过手动控制的方式返回地球轨道,听上也是不可思议,而且整个过程中,地面工作人员的协助也起了关键性的作用。但是在Gravity里面,因为通讯故障和地面失了联系,然后组员之间也失了联系,相继的死亡和消失,宇航员必须独自面对孤独和死亡,希望几乎是不存在的,但又在最终想放弃的关头又绝处逢生。就像电影里面每一次和空间站的接触都命悬一线,全部的性命就取决于你能不能在那一刻牢牢抓住,对这样命悬一线的渲染甚至都有些过度了。
  
  如果只是一部描写宇航员自救的故事,显然太单薄了,也不会引发情感。这个故事有一个很动人的主线,就是乔治克鲁尼饰演的男主角在灾难中挽救队员并且牺牲自己,而且因为性别,更加提高了故事的张力。在大众习惯的思维框架里面,它变成了一个男人和一个女人的故事。相对于《阿波罗13号》三个老爷们自救的故事,显然更容易俘获人心。艺术的感染力往往来自于代入感,电影尤为如此。
  
  
  最后说一说太空探索的话题。其实从哥伦布时代起,世俗社会对探索未知就没有兴趣,当初哥伦布探索新大陆是基于商业上的利益,郑和下西洋更是基于政治上的目的,但无论商业还是政治,其实都是为了利益。真正对纯粹的科学感兴趣的永远是极少数的人,像阿基米德,当罗马士兵冲到他面前了,还仍然埋头于计算。其实现在仍然没有改观多少,仍然有很多人会质疑科学探索的必要性。就像西方国家,其实在航天和基础科研上的投入也很少,反而是每年一部的大片,动不动就投资几亿美元,娱乐产业比科研产业的规模可能要大几十倍几百倍。其实科学技术的发展一直以来都是依靠商业的力量,甚至只有这条路才能长远,就像前苏联就是典型的例子,而美国虽然有钱,但其实也是在往市场转型,比如航天飞机退役后,主要就是依靠外包给民营的X-Space公司的火箭和飞船,往国际空间站运送货物。而且NASA本身也是经常靠和其他机构的合作来运行。
  但是在市场之中,需求仍然依靠社会的兴趣,如果大众对科技感兴趣,也就会对科技产品有兴趣,这就激发了科学创新的动力,也会吸引市场的投资。因此从这个意义上,科普的工作其实是非常有价值的,无论是科普写作,还是TED演讲,还是科普纪录片,还是科幻类型的电影,都是非常有价值的。我一直觉得,知识之间也是相互竞争的关系,有更多的孩子关心星座,也许就有更少的孩子关心太空。虽然我知道科学是潘多拉的盒子,一旦打开就无法关上,但是看看那些沉迷于网游,算命,星座,纹身……的人,还是隐隐会有种担心,也许人生来是不同的,也许社会永远是这样,传递火种的永远只是那一小部分人吧。
  另外,还有一个很普遍的误区,或者说,是一种对于科学探索的误解。比如认为探索太空才是唯一的道路,甚至应该致力于人类登陆其他星球。其实探索外星球只是其中一个方向而已,而在人类的探索活动中,可能并不是最重要的。人类对于科学基础的研究,比如大型强子对撞机这样的项目,其意义要大于人类登陆火星。关于这个世界的运行原理,答案并不在太空,也许就在构成你我的基本物质里面,或者就在数学计算里面,我们并没有亲自过太阳,也知道太阳的距离质量温度内部构造,我们没有过遥远的星系,但我们也能知道他们年龄,我们的文明只存在里几千年,但我们却能知道宇宙的起源,我们没有亲历太多事情太多地点,但这不妨碍我们知道。
  其实人类对信息技术的探索,是更有决定性的,我们现在的整个互联网和信息技术,以及计算机的发展,其实都依托于量子力学上的发现。当然科学技术是相辅相成的,是一个体系的不同层面,探索太空,是非常重要的一部分。比如哈勃望远镜就让我们发现了很多未知的领域,让人类对宇宙的理解又提高了很多。哈勃只是几百上千个探测器之一,只是很多的探测并不被大众所了解。其实我想说的是,对于科学的探索其实有太多方面是大众看不见的,于是这部分好像就变得不重要了,而可见的那部分对于大众来说,又会很浅薄的理解。科学技术向来是需要很长久的学习,很多的耐心,这样的科学素养其实是绝大多数人不具备的,甚至永远都不会具备。于是你才会发现,科学家必须要把自己化妆成商人,告诉你给我一块钱,十年后我会还给你二十块。
  
  再说说火星探索,然后引申的谈谈太空移民等话题。
  其实从60年代到现在,人类发射的火星探测器大概已经有几十颗了,其中有几乎超过一半都失败了。而且探测的程度和技术一直在提高,只是在大众的理解里,好像没有人类直接登陆那样有说服力。当然不止是火星,整个太阳系里面的各个行星,还有一些卫星都被人类探测过,像木星的几个卫星,因为上面有冰和海洋,被关注的也格外多。也就是说,其实探测一直都在进行,只是在通过机器进行,而且整个过程中也发现了很多有价值的东西。但是相对来说,这样的进步还是太慢了,这里面原因很多,其中有技术的限制,比如现在的火箭推力技术要走出太阳系都要几十年,像旅行者一号,已经离开地球三十多年了,还没有离开太阳系。人类想要探索星际空间,仍然需要技术上的革命性进步。
  另外一部分是人生物体的限制,因为人是在地球上进化出来的生物,各项指标都是由地球的环境决定的,所以人根本不适合地外生存。比如在失重状态下骨质和肌肉都会流失,还有其他生理指标也受影响。另外因为宇宙空间的高能射线很危险,而地球的磁场为我们提供了一种保护。就像空间站里面的人员之所以能长久在太空生活也是因为身处近地轨道,仍然在地球的磁场保护之内。如果往更远的星际空间,辐射是一个很大的问题。就算在火星上,因为重力比地球小,而且几乎没有大气,也完全不适合生存,人类在上面只能呆在自己的空间站里面,宇航服也是一个小的空间站。当然,随着技术的进步,这些也许都不是问题了,比如重力可以通过旋转来模拟,这个在很多科幻电影里面都有展示了,像《极乐空间》。另外人的身体也许将来可以通过基因改造的更加适合太空,或者在将来人类变成另一种形态,或者被人工智能取代,也都不是什么科幻了。但至少在目前的技术能力下,探索太空仍然受制于很多因素,是一种妥协。不过可以预期的是,人类在短时间内不会移民出,因为就算是在外面构筑了适合的环境,仍然不是最理想的环境。也许火星会变成另一个南极,但是谁会一直生活在南极呢?

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