科幻电影中的“物理学”

本人编译，感谢老猪（现亦名“佛脚”）的指正和修改。

《决战猩球》和爱因斯坦的狭义相对论

还记得20世纪60年代的科幻电影杰作《决战猩球》吗？

三名宇航员在太空飞行中意外被卷入“时间空洞”（物理学专有名词），被迫降落在一颗由猩猩统治的陌生星球上，而那颗星球其实就是几千年后的地球。物理学家反复咀嚼这部电影的情节之后发现：很多人认为狭义相对论使得时空旅行成为可能，但是这个例子恰恰说明，狭义相对论使时空旅行成为一种挑战。

根据狭义相对论，在这部电影里，以这几名宇航员自身为参考系，他们持续飞行了一年半，而其间地球上的时光已飞逝了2000年——根据狭义相对论法则，这是真实的一幕。但是，这怎么可能呢？因为，无论从哪一个参考系进行观测，光速(c)都是恒定的，通过一系列逻辑推理，爱因斯坦证明了：两个事件之间的时间间隔长度，取决于你对之进行观测的参考系，所以自然而然就会有这样的结果。

根据狭义相对论，任何质量不为零的物质，其运动速度都不可能超过光速。但是，当你运动的速度足够接近光速的时候，就会出现时间膨胀。时间膨胀公式如下：

Tship = Tearth(1-v2/c2)1/2

(以上公式显示，相对于地球来讲，太空船必须以v = 0.9999997c的平均速度飞行，才能获得《决战猩球》中那么长的时间膨胀量。)

因此，虽然从理论上来说，假如你的飞行速度足够接近光速，你就能很快到达一个地方。但是，当你到达目的地时，你很难搞清楚地球上今夕是何年，总统是何人。当你返回地球时，你的孩子可能比你还老。至少，这会让你感到尴尬。

《星球大战》里的太空“传奇”

说白了，《星球大战》基本上就是一系列以太空为背景的恃强凌弱的冒险。相关的几部电影都不像科幻小说那样注重“科学”原理，而是违反了许多简单的物理学原理。有一个违反物理学原理的例子显而易见(这在改编成电影的科幻小说中普遍存在)：我们听到影片中的战斗轰炸声不绝于耳，这些“太空中的巨响”其实不可能存在。

我们知道，声音不可能通过真空进行传播。然而，在相关几部电影里，每一个跟太空有关的场面中(尤其是在太空战争中)，每当各种星球巡航舰和战船齐齐开火时，我们这些电影观众都能“享用”到各种各样的声响：呼嗖声、尖啸声和爆裂声等等。

然而，导演乔治·卢卡斯和他的编剧团队的确承认，想要在一个个相距遥远的星系中穿梭飞行(不受时间膨胀影响)，电影中的人物必须想办法快速到达那些地方，而方法就是钻进“超光速”飞行器里。实际上，“超光速飞行器”无法用任何(科学)道理来解释，只是一个必要的情节设置。

不过，或许爱因斯坦的广义相对论可以证明“超光速飞行器”的存在是合理的，我们来看看下一部科幻电影的分析，这部电影做了超光速旅行的尝试。

《黑洞表面》和广义相对论的“恐怖”之处

在恐怖科幻电影《黑洞表面》中，精神状态不稳定的威尔博士(Dr.Weir)向我们描述了一个人怎样才可能绕过狭义相对论中的光速极限：威尔博士拿了一张纸，在纸的两端画了两个记号，表示这两个记号是距离能多远就有多远的两个地方。然后，他把纸折起来，让那两个记号相互挨着。他解释说，假如我们对空间也能够这么做，并且能够跳跃穿越这样的“捷径”的话，我们就能在距离极其遥远的星系里以极短的时间穿梭旅行，而不会违背狭义相对论中所指的物质运动速度不可能超过光速这一原则。是的，威尔博士虽然很疯狂，但他可不笨。显然，他对广义相对论也略知一二。

广义相对论称，物质可以让时空弯曲。因此，从理论上来讲，假如你能够创造一个足够大的引力场，你就能在时空中把遥远的两个地方拉在一起，非常接近。

这个设想听起来前景光明，但仍有几个大问题：第一，任何一个引力场，假如它足够强大，能够做到以上假设的话，那它就会摧毁你的宇宙飞船。第二，制造这样一个引力场所需要的能量之大，是完全超乎我们的想像的。第三，即使你找得到一条连接两个端点的路径的话，你也可能陷入上面两点提到的麻烦里去。

然而，电影中那艘“地平线号”破飞船命中注定还是找到了那条捷径。不幸的是，那艘飞船进入了我们所知宇宙之外的一个混沌世界，玩完了，许多恐怖和不快事件发生在飞船全体乘员身上。

《星际旅行：深空九号》有一个“虫洞”

广义相对论考虑到一种叫做“虫洞”的东西，它是连接宇宙遥远区域间的时空细管。当两个精细微小的黑洞连在一起，连接太空中的两个不同点和时间时，“虫洞”就形成了。就像前面《黑洞表面》提到的在一张纸两端的两个点一样。

在电视系列片《星际旅行：深空九号》中，剧本作者采纳“虫洞”这个概念，作为主要的情节主旨。在太空站附近，一个巨大的虫洞连接着一个星系的遥远组成部分。这样的场景有可能吗？太空旅行者可能以某种方式创造一种“推进系统”， 通过造成虫洞而起作用，形成连接宇宙中遥远区域的桥梁？这点也许能做到，但“虫洞”并不是在任何时候都能很快形成的。

虫洞实际上可能是一个“奇点”（天体物理学名词），这使得它很难应付。同时，虫洞存在的时间极短，稍纵即逝，以致于你很有可能在穿越它之前就被其中的黑洞毁灭了。因此，与其使用虫洞这个“弯曲”空间的方法，我们还不如改弦更张，来试试“弯曲速度”。

《星际旅行》、《星际旅行：下一代》、《星际旅行：深空九号》、《星际旅行：航海家》、《星际旅行》…...等等

对于我们所看到的各种各样的电视剧、电影(比如《星际旅行》中的情景)如果非要用难以理解的专业术语去证明其正确性的话，那些情节也许跟“物理学”丝毫不沾边。令人赞许的是，这些剧本作者对物理学没有置之不理，而是尽可能努力试着去引入真正的物理学原理。

实际上，剧本作者经常从一些带着高度猜测性的现代物理学理论前沿中跳出来，舍弃有趣的想法，试图证明一些技术性的情节设置是合理的。科幻连续剧《星际旅行》这一点就很讨人喜欢——《星际旅行》从一开始就为剧中情节设置了“曲速引擎”，以此周游太空星系。下面让我们来看看这种设置是怎样起作用的。

此外，还有一个目前理论性很强的概念——“阿库别瑞引擎”(Alcubierre drive)。物理学家阿库别瑞应用相对论公式表明，我们可以想像出一个装置，来伸展飞船后面的空间，同时收缩前面的空间。这样，太空中原本遥远的两点之间的路程就被大大缩短了。

广义相对论认为，除了空间弯曲之外，使用“重力能”也有可能使空间伸展或收缩。然而，要做到这些，都需要利用“负能量”——一种“相互排斥”的引力。我们在日常经验中所了解到的引力都是存在于物质间的引力，而负能量会导致物质相互排斥。这样的东西可能存在吗？在你平时所上的物理学导论课中，肯定不会涉及这样的问题。然而，最近几年，天文学家们发现，宇宙膨胀的速率实际上正在增加。通常情况下，我们认为，既然所有的物质都在相互吸引，宇宙膨胀速度应该会减慢。那么，这种加速膨胀可能是由负能量引起的吗？我们不妨如此假设。

不论如何，“曲速引擎”的理论有可能会由我们以后的几代人变成现实，这么一想，我们深感欣慰。

科幻电视剧《太空堡垒：卡拉狄加》：一出“太空戏剧”

正在美国热播的科幻电视连续剧《太空堡垒：卡拉狄加》可谓是太空冒险的最先进形式。这出肥皂剧以太空为背景，讲的是人类由地球移民到其他星系居住，创造了一种机器人Cylons，残酷无情的机器人Cylons调头对抗、毁灭人类，人类最后一名幸存者逃跑到太空中，漫游在太空星系之中。

一如前面所讲的例子，《太空堡垒：卡拉狄加》中的太空旅行介于亚光速和“超光速跃迁”(hyperlight jump)之间。每当飞船需要快速到达某地时，指挥官亚当玛(Adama)就会命令超光速驱动器启动。太空船能够借“超光速跃迁”瞬时从太空中的一个区域移动到另外一个区域。应用我们先前讨论过的广义相对论，我们可以推想：一个“跃迁”指的是“折叠时空”，然后用人造“虫洞”将原先遥远的两个区域连接起来。(只要他们能够驾驭“超光速”所需的超大能量，然后将其作为摧毁Cylons机器人的武器。)

有趣的是，剧中的太空船乘务人员并不确信，进行“跃迁”之后他们前途如何——绝妙的戏剧性就这样产生了。尽管该剧有科学顾问，但是剧情偶尔也会违反守物理学定律，让步于影视效果或制作便利。（举例来说，在大多数太空旅行科幻小说中，我们必须假设一些在太空船上能够产生人造重力的方法，这样一来，其中的人物才能够在太空船里随意走动；在《太空堡垒：卡拉狄加》剧中，一反物理学常识，太空中还是声响不断，虽然那些声响没有电影《星球大战》中不绝于耳的爆炸声那么夸张。）

当你看这部电视剧时，你可以自己留意这些跟物理学有关的有趣片断。