航天科幻影片里的科學與非科學

文/松堂

航天題材是科幻影片當中一個重要門類。有些電影就是講航天的，還有一些作品是發生在宇宙背景中，想象人類進入宇航時代之后的社會生活與愛恨情仇。在這里，讓我們超越《獨行月球》，來談談更多科幻影視當中，是如何平衡科學技術與劇情需求的。

▲ 《無垠的太空》中設計了華麗的空間站

▲ 科幻歷史上最著名的飛船，“千年隼號”

飛船結構

首先談談宇宙飛船的結構。這是諸多科幻電影當中，最容易天馬行空的地方。載人航天發展之初出現的科幻作品，往往用船舶概念來設計宇宙飛船。茫茫大海和茫茫宇宙，看起來似乎有很多相似的地方。當然，宇宙飛行器和海船畢竟大有不同，所以導演和道具師有了很多發揮的空間，引入了很多噴氣式飛機的元素。

比如《星際迷航》里的聯邦星艦，就是一種豪華游輪、飛碟、噴氣式飛機的混合體。而《星球大戰》里的殲星艦，基本上就是按海軍炮艦設計的。其實當時美國和蘇聯都已經研制了自己的載人飛船。不過，無論是東方號、聯盟號、雙子星座號，甚至是阿波羅飛船，體積都太小了，很難發揮原作者和導演們的藝術思維。于是乎，在那個時代的科幻電影當中，宇宙飛船就成了一種擁有寬大艦橋和復雜艙室的東西，艦員們似乎也不用考慮失重的問題。

進入20世紀80年代之后，載人航天技術進一步發展成熟。蘇聯的空間站已經實現了長期在軌飛行。美國的航天飛機則代表了另外一個技術流派。而導演們也開始回歸現實，他們知道，那種氣勢恢宏的宇宙飛船，短期內是造不出來的；而人工重力也不是什么奇幻的技術，用現在的科學原理就能解釋。

▲ 粉絲們認真設計了不同類型的聯邦星艦

▲ 《星球大戰》中的鈦戰機被設想成一種大氣層內外“通吃”的戰斗兵器，人類至今還看不到實現的希望

▲ 《地心引力》的多數場景都比較合理

▲ 《地心引力》中的比較不合理的場景之一，靠航天服推力器長途跋涉

所以，我們在80年代以后的科幻電影中，看到了更多用圓柱形艙段構成的飛船，人工重力靠飛船的自旋來實現。這些飛船有個比較大的特點，就是擁有比較大的環形結構，環形旋轉起來，離心作用就能在艙室內形成重力。描繪火星探險的電影《紅色星球》就體現了這一點。

有些飛船被設計成單環結構，也有一些飛船設計成雙環結構，兩個環用相反的方向旋轉，就能夠抵消各自造成的扭矩，看起來是真正進行了工程設計思考。

當然，環形飛船這樣的設計完全脫離了地球上飛機或者船舶的艙室設置，因為無論是飛機還是船只，駕駛艙都是放在正面視野最好的位置，如果采用環形的人造重力飛船，那么駕駛艙或者主控室都要放在環上。或許到那個時候，人類就需要培養一批完全新概念的飛船駕駛員了。

動力

我們都知道，航天發展，動力先行。動力也成了制約現實中航天活動的最大問題之一。

在科幻影視中，有些影片會嚴格遵守軌道動力學與航天器設計的基本原理，比如著名的太空災難片《地心引力》，其中絕大部分情節是嚴格符合當今人類載人航天技術的，只有很少的地方做了藝術發揮。作家和導演沒有無端發明任何一種現在還不存在的動力，系統老老實實地接受了運載火箭固體發動機、肼推力器之類的設置。女主角在返回地球的過程當中，先使用航天服上的肼推力器，從航天飛機失事的軌道，長途機動到了國際空間站軌道，然后又操縱國際空間站上的俄羅斯飛船，前往中國空間站，最后乘坐神舟飛船返回了地面。在整個過程當中，沒有什么發明創造。問題是，這幾種發動機在實際軌道飛行當中，是做不出來大速度增量機動的。

其他的科幻電影相對來說腦洞就要大一些了，在幾乎所有的電影中，導演都會設想各種大推力離子發動機，完全超越了當今人類的科技水平。它們不但能讓飛行器在行星大氣層內自由飛行，甚至能夠推動一艘完整的飛船從行星上起飛，進入宇宙空間，然后進入星際航行軌道。航天工程師們多年來一直在夢想著，有這樣的一種發動機可以投入使用，然而到目前為止還不曾實現。

▲ 《無垠的太空》中，飛船采用大推力離子發動機

▲ 《星球大戰》中的飛船，采用了大功率等離子發動機

▲ 《星球大戰》中的另一種不合理宇宙飛船，著名的X翼戰機

同樣的設想出現在科幻電影《星際旅行》中。裝滿了星際移民的飛船，在飛行過程中因為遭到隕石的襲擊，離子發動機的控制系統出現了故障，所以電腦喚醒了男主角，男主角又喚醒了女主角，兩個人一起修好了控制系統，讓飛船在經過了90多年的航行之后抵達了目的地。

大推力離子發動機，目前雖然還沒有實現，但不算太離譜。所以在《流浪地球》當中，作者設想用離子發動機把地球變成一艘飛船，推向比鄰星。這是迄今為止所有科幻電影當中，對于離子發動機設想最宏大的一個，要圍繞著地球赤道及其向陽面，設置12000臺像火山一樣的離子發動機。

上面說的這些宇航動力系統還是比較現實的。在可預見的將來，通過技術研發，有可能把它們變成現實。特別是空間核動力已經進入比較高級的研發階段，美國宇航局和國防高級研究計劃局都已經在投資開發熱核動力火箭，而中國科學院研制的液體金屬冷卻空間反應堆也已經進入了樣機階段。

▲ X翼戰機的維護，完全是照抄航空母艦戰斗機的模式

但是，另外一些空間動力的科幻想象就有些離譜了。

距離真實科學與工程最遠的，可能是迄今為止最成功的航天科幻電影，也就是《星球大戰》系列。《星球大戰》當中，最值得一看的就是雙方在宇宙里進行激烈空戰的場景。反抗軍一方的X翼戰機和帝國一方的鈦戰機圍繞著不同的星球，或者是死星這樣的超級空間基地，進行著殊死搏斗。兩種宇宙飛行器輾轉騰挪、左沖右突，似乎完全不把軌道動力學的概念放在眼里。實際上，《星球大戰》當中的宇宙戰機空戰完全是按照地球上近距離空中格斗的模式來設計的。如果真的有兩種航天器在宇宙里如此格斗，那么動力系統必須極其強大，能夠隨心所欲地提供各個方向上的速度增量。按照人類目前能夠想象出來的推力器，宇宙飛行器絕不可能有那么快，更不可能身輕如燕地到處躲閃。然而，這并不影響人們對《星球大戰》的喜愛。

另外一個容易被科幻影視作品拿來作為題材，卻沒有辦法在今天的航天科學技術當中找到對應的動力系統，就是超光速發動機，也叫做曲率發動機。它最早出現在《星際迷航》當中，因為有了這種超光速的發動機，所以飛船和主角們可以在不同的時空和不同的世界之間穿梭，構成了復雜的故事線。如果把《星際迷航》所有的版本都看一遍就會發現，是同一批正派和反派在不同的時空和不同的星球上反復爭斗，要想把所有的故事線梳理清楚，是件非常傷腦筋的事情。或許正是因為太復雜了，《星際迷航》雖然從來就沒有能夠像《星球大戰》那樣帶來龐大票房和文創市場，卻一直吸引著一群鐵粉并不斷推出新版。

超光速飛行的理念，其靈感主要是從蟲洞理論當中得來的。到目前為止，人類還沒有發現一個真正的蟲洞，所以曲率發動機這種東西也就只能停留在科幻當中了。但是也有一些科幻作家在推測：人類的文明是不是走了一條彎路呢？我們是不是錯過了什么簡便易行的方式來實施超光速飛行？美國有一篇科幻小說叫做《異星歧途》，它并沒有被拍攝成電影作品。小說中設想了一個文明發展程度很低的外星種族，還停留在冷兵器和熱兵器過渡的那個時期，可是這個種族誤打誤撞，突破了超光速發動機的研制技術。他們帶著龐大的軍團、坐著簡陋的飛船來到地球，被嚴陣以待的美國軍隊打了一個全軍覆沒。美國科學家們在考察后大驚失色說，這樣簡單的超光速發動機，地球人為啥沒發明呢？

▲ 《無垠的太空》里，被細菌感染的少年

也有一些作品，把玄學的東西和科學結合在一起了。《無垠的太空》中，設想了一種來自地外文明的細菌，這個地外文明其實想用這種方式來向地球傳遞消息，告訴地球上的人類，還有很多類地行星可以居住。但是人一旦感染了這種細菌，就會變成怪物。更玄學的事情是，其中一個女性角色感染細菌后，不斷生長，最后把一顆小行星完全包裹在內。然后這顆小行星就可以違背軌道動力學的原理，在公轉軌道上自由地加速減速。這就完全排除了我們對它進行技術討論的必要性。

飆車

▲ 《火星救援》中的火星車

《獨行月球》上非常重要的一個情節，就是獨孤月帶著大紅袋鼠，在月球飆車，也就是迎著晨昏線前進，確保自己一直處在月晝之中。這個情節有合理的地方，也有演繹的內容。月球赤道位置的自轉速度是16.7千米每小時，如果在緯度略高一些的地方，速度還可以更低一些。那么看上去，輪式車輛是有可能超越月球自轉速度，保持在陽光照射之下的。這也僅僅是理論，人類對月球表面路況的了解依然是嚴重不足的。

月球上沒有公路體系，看起來平坦的月面，覆蓋著不同厚度的月壤。薄的地方只有幾厘米，厚的地方有好幾米。月球上沒有植物也沒有地表水，月壤就那樣松散地堆積著，不會像地球上的沖積平原那樣堅實，沒有人知道，月球車一旦開上去，是會平安通過，還是陷進去動彈不得？月球上還遍布著大大小小的石頭，并沒有養路班把它們拖到一邊去。我們在這里還沒有討論溝壑、隕石坑一類障礙。最麻煩的是永久陰影區，目前還不知道里面的路況是什么樣，貿然把車開進去，只怕會有些麻煩。

在2015年的美國大片《火星救援》中，同樣出現了一個飆車場景。男主角同樣被丟在了火星上，不過他在一個有大氣層的星球里，夜間低溫的情況沒有月球那么可怕。而且男主角還擁有核動力暖氣——一個同位素電源。他把這個同位素電源用防輻射材料包裹起來之后，放在自己的火星車駕駛艙里，長途跋涉3200千米。這兩個場景也說明，今后人類無論是開發月球還是開發火星，在外星球上飆車，都是一個剛性需求。哪怕不是為了逃生，僅僅是為了正常的科學考察和資源開發，長途行車都是免不了的。人員居住的營地需要放在地勢平坦、地質結構穩定、靠近水源的地方。但礦產可能處在另外一個位置，必須用車輛把開采出來的礦石運走。冶煉廠同樣不能放在營地附近，否則容易出危險。到了冶煉礦產的階段，無論是月球還是火星，就不能僅僅依靠太陽能來驅動工廠了，大功率的核電站可能必須提上議事日程。核電站必須放在遠離營地、礦場和工廠的地方，免得輻射造成危害。月球上氦3廣泛分布在月壤里，它的開采更是一刻也離不開車輛。

▲ 制導導航控制系統在影片中很難表現

▲ 《 普羅米修斯》中這個大炮一樣的東西并不是武器，而是導航望遠鏡

正所謂“道路千萬條，安全第一條”，怎么才能保證外星飆車的安全，是科幻電影尚且沒有深入討論的。《星球大戰》及其續集《曼達洛人》回避了這個問題，把星球地面交通都交給了反重力飛船。這似乎離人類太遠了一點。在現實中，人們需要對外星球做充分的勘查測繪，才能考慮行車。另外，美國宇航局正在考慮在月球和火星軌道上建立類似于GPS的衛星導航體系，這樣就有希望實現自動駕駛。無論是獨孤月還是馬克，都可以把行車的事情交給電腦，不用打著哈欠在方向盤前堅守了。

制導導航控制

多數科幻影視都不討論具體的制導導航控制方式。在這些影片中，默認的設定就是，人類已經精確知道每一個天體的位置，想去哪里，直接把坐標輸入就可以了，就像在地球上用導航儀開車一樣。在一些影片中，會出現飛行中途切換目的地的情節。駕駛艙里的人們也只是在電腦上指指戳戳，就把一件如此復雜的事情搞定了。

最近一些年，也有些科幻電影把裸眼3D投影技術引入了場景，把星際導航變成了體感游戲式的操作。角色們在虛空之中，把3D顯示的軌道撥來撥去，用起來很方便的樣子。今后在工程實踐上，會不會真的采取這種導航控制方式，也很難說。

▲ 《普羅米修斯》中華麗的導航星圖

然而，《異形》系列的《普羅米修斯》做了一些硬核嘗試。在影片末尾，外星工程師聽說有個地方叫地球，適合自己的種族生存，就立刻大開殺戒，打死了在場的地球人，然后立刻啟動飛船導航系統。這是迄今為止，所有科幻電影中最具有創意的導航系統。外星工程師在按動電鈕，控制臺上跳出了一個天球，里面用3D顯示了宇宙里的各個星系和星球。他用一個望遠鏡式的東西，在天球里找到地球，鎖定之后，就啟動飛船。然后導航系統自己計算軌道方案，要去搞大屠殺了。

科幻影片之所以對制導導航控制這樣忽視，主要是這個方面的情節并不是很容易出彩。多數工作都在計算機內部，依靠枯燥的公式和數據來自動完成，既不能體現主角的神勇，也很難激動人心。所以，《普羅米修斯》當中的場景設計，算是非常有創意了。

《機器人總動員》里有歡快的食物，也對制導導航控制做了一番歡快的描述。當新任艦長決定帶所有人返回地球、重建家園的時候，機器人助手竟然跳出來反對，說按照自己的程序設定，不能返回地球。艦長和機器人做了一番搏斗，才拿回了飛船的控制權。

武器

戰爭是航天科幻作品當中無法回避的一個主題，飛船之間的激烈戰斗，比其他類型的情節都更容易吸引觀眾，制造轟動性的票房。

在太空里人類該用什么東西來打仗呢？或許所有人都可以脫口而出，當然是用激光。

▲ 《普羅米修斯》里的地球人飛船

▲ 《普羅米修斯》中奇異的外星飛船

其實激光也不是那么容易用的東西，目前即使在地球上，想用激光來擊毀什么對方的目標也并不是很容易。美國海軍剛剛裝備的艦載激光器，即使用艦艇的強大供電能力，只能在幾千米的距離上擊毀小艇、無人機之類的小東西，要想擊落對方的導彈甚至于攻擊軍艦，還只是一個夢想罷了。

在宇宙空間，雖然光不會受到大氣衰減之類因素的困擾，但是航天器和航天器之間的距離要遠遠超過地面上的戰場，相距幾千千米甚至于上萬千米，都不是什么新鮮事。激光在這么遠的距離上，也會發生不可忽視的散射，命中點光斑上的能量會受到嚴重削弱，很難起到殺傷作用。

但是這并不能夠阻止導演們安排宇宙戰艦用激光互相射來射去。特別是在電影《星球大戰》當中，激光炮打出來的光線并不是一段射線，而是曳光彈那樣一段一段的。擊中之后也不是像激光那樣會燒出一個洞來，而是像被炮彈打中那樣當場就爆炸了。

▲ 《星球大戰》中的激光都是線段，而不是射線

航天科幻影片中最具有特色、也最不合理的武器就是激光劍，完全違背了激光的基本特征。激光是一種射線，當它發射出來以后，如果沒有被什么東西擋住，就會射向無限遠的地方。可是影片中的激光劍，卻能夠形成一個一米多長的光柱，就像噴出來的火焰一樣。雖然從《星球大戰》上映的第一天開始，物理學家和光學工程師們就發現了這其中的不合理性，但是誰也沒有為此指責《星球大戰》這部電影，因為它給人們帶來的視覺享受實在是太特別了。也正是因為如此，激光劍這么一個不合理的設定，從上世紀70年代延續到2022年的今天，繼續在最新的劇集《曼達洛人》當中切來砍去。

在太空戰爭類型的電影中，導彈也是常見的兵器。但是多數影片沒有對太空導彈做詳細的設計，《無垠的太空》中，太空導彈和地球上的導彈一樣是細長圓柱體。其實在沒有空氣的太空里，導彈更應該設計成反導攔截器的樣子。更早的《第五元素》里，索性就放棄了對導彈的描繪，簡化成顯示器上的光電罷了。

▲ 《星球大戰》中最不合理也最迷人的武器——激光劍

時空

在諸多航天科幻中，非常吸引人，卻又距離實際物理學很遠的一種設置，就是時間旅行。因為宇宙的尺度很大，所以一旦實現了超光速飛行，人類是有可能進行時空穿梭的。然而這是一種還沒實現的可能性。

《星際迷航》可能是第一個大規模引入時空旅行的。這或許比超能力更加接近科學。時空旅行是根據所謂蟲洞理論提出的，這個概念認為，宇宙中可能存在連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞理論在1916年由奧地利物理學家路德維希·弗萊姆首次提出。1930年，愛因斯坦在研究引力場方程時接受了這種假設。雖然科學家們目前還沒有找到任何真的蟲洞，但愛因斯坦的背書，讓一大批影視作品理直氣壯地討論起時空旅行來。這比宇宙間的遙遠距離更讓人疑惑：在不同的時間當中穿梭，人類的現有邏輯方式不就全亂套了嗎?當然，這也給了劇作家和導演們發揮想象力的更大空間。

▲ 《第五元素》中，地球巡邏飛船用導彈攻擊邪惡外星，但毫無作用

▲ 《第五元素》中，龐大而奇異的外星飛船前來收回神秘武器

▲ 《星際穿越》的男主角穿越時間后，見到了行將就木的女兒

《星際穿越》同樣講述了一個時空穿梭的故事。這部電影所討論的還不僅僅是超光速飛行，還討論了不同引力場之下的時間扭曲問題。這為人們展示了一種可能性：只有通過宇宙飛行，才能充分理解相對論，揭示時間和空間的本質。不過這種類型的電影往往比較燒腦，除了專業物理學的研究者，其他人就算是對時空問題有所研究，也要在觀影之后，坐下來計算研究一番，才能理解劇情變化。因此，這類電影往往是叫好不叫座，只能靠長尾效應來贏得票房收入。

在太空吃飯

人是肉體凡胎，哪怕進入了太空，思想超越了光速，該吃飯還得吃飯。多數科幻影片把吃飯問題一帶而過，或許是因為太空生活不易，沒條件太講究美食吧。在多數影片中，如果安排吃飯情節，角色們都是端著一個多格餐盤，里面裝著各種不同顏色的糊糊。比較有創意的，是新版《星際迷航》的劇集版，為艦長安排了一份奇異的沙拉，里面不但有蔬菜，還有莫名的外星生物觸角。

▲ 《火星救援》的男主人公馬克在火星上種土豆

▲ 馬克在查看被摧毀的土豆苗

但是有兩部電影，卻認認真真討論了太空食物的有無問題。一部是著名的《火星救援》。它的情節和《獨行月球》有點像，都是團隊緊急撤離過程中，丟了一個人在外星上。區別在于，《火星救援》里的馬克發現糧食不夠吃，因為他的考察隊只有幾個人，留下的糧食只夠吃一個月的，所以他設法制造了水和肥料，在火星上種了不少土豆。中國的作者和導演可能是無法忍受一直吃土豆的生活，于是給《獨行月球》里的獨孤月留下了100多人可以吃很多年的食物。

當然，人類要想在太空里長期生存，最終還是要吃些正常的食物。這些食物必須在太空農場里種植出來，才夠新鮮。在《星際穿越》的結尾，人類逃離了環境失控的地球，在太空里建立了居民點，它也采用人工重力的原理，用一個巨大的滾桶形成了室外桃源，農田就貼著滾桶的內部建立起來了。

當然，并不是所有的航天科幻，都逼著航天員去吃枯燥或者奇異的食物。在《機器人總動員》當中，因為地球上的環境污染嚴重，人類被迫造了一艘巨大的飛船，全體逃亡太空，等著地球自潔。這一等就是好幾百年。人類在度假飛船里享受著機器人的服侍，衣食無憂，腦滿腸肥，從船長到居民，都是一副胖墩墩的樣子。這可能是各種太空科幻電影中，吃飯最歡快的一部了吧。