航天科幻影片里的科学与非科学

文/松堂

航天题材是科幻影片当中一个重要门类。有些电影就是讲航天的，还有一些作品是发生在宇宙背景中，想象人类进入宇航时代之后的社会生活与爱恨情仇。在这里，让我们超越《独行月球》，来谈谈更多科幻影视当中，是如何平衡科学技术与剧情需求的。

▲ 《无垠的太空》中设计了华丽的空间站

▲ 科幻历史上最著名的飞船，“千年隼号”

飞船结构

首先谈谈宇宙飞船的结构。这是诸多科幻电影当中，最容易天马行空的地方。载人航天发展之初出现的科幻作品，往往用船舶概念来设计宇宙飞船。茫茫大海和茫茫宇宙，看起来似乎有很多相似的地方。当然，宇宙飞行器和海船毕竟大有不同，所以导演和道具师有了很多发挥的空间，引入了很多喷气式飞机的元素。

比如《星际迷航》里的联邦星舰，就是一种豪华游轮、飞碟、喷气式飞机的混合体。而《星球大战》里的歼星舰，基本上就是按海军炮舰设计的。其实当时美国和苏联都已经研制了自己的载人飞船。不过，无论是东方号、联盟号、双子星座号，甚至是阿波罗飞船，体积都太小了，很难发挥原作者和导演们的艺术思维。于是乎，在那个时代的科幻电影当中，宇宙飞船就成了一种拥有宽大舰桥和复杂舱室的东西，舰员们似乎也不用考虑失重的问题。

进入20世纪80年代之后，载人航天技术进一步发展成熟。苏联的空间站已经实现了长期在轨飞行。美国的航天飞机则代表了另外一个技术流派。而导演们也开始回归现实，他们知道，那种气势恢宏的宇宙飞船，短期内是造不出来的；而人工重力也不是什么奇幻的技术，用现在的科学原理就能解释。

▲ 粉丝们认真设计了不同类型的联邦星舰

▲ 《星球大战》中的钛战机被设想成一种大气层内外“通吃”的战斗兵器，人类至今还看不到实现的希望

▲ 《地心引力》的多数场景都比较合理

▲ 《地心引力》中的比较不合理的场景之一，靠航天服推力器长途跋涉

所以，我们在80年代以后的科幻电影中，看到了更多用圆柱形舱段构成的飞船，人工重力靠飞船的自旋来实现。这些飞船有个比较大的特点，就是拥有比较大的环形结构，环形旋转起来，离心作用就能在舱室内形成重力。描绘火星探险的电影《红色星球》就体现了这一点。

有些飞船被设计成单环结构，也有一些飞船设计成双环结构，两个环用相反的方向旋转，就能够抵消各自造成的扭矩，看起来是真正进行了工程设计思考。

当然，环形飞船这样的设计完全脱离了地球上飞机或者船舶的舱室设置，因为无论是飞机还是船只，驾驶舱都是放在正面视野最好的位置，如果采用环形的人造重力飞船，那么驾驶舱或者主控室都要放在环上。或许到那个时候，人类就需要培养一批完全新概念的飞船驾驶员了。

动力

我们都知道，航天发展，动力先行。动力也成了制约现实中航天活动的最大问题之一。

在科幻影视中，有些影片会严格遵守轨道动力学与航天器设计的基本原理，比如著名的太空灾难片《地心引力》，其中绝大部分情节是严格符合当今人类载人航天技术的，只有很少的地方做了艺术发挥。作家和导演没有无端发明任何一种现在还不存在的动力，系统老老实实地接受了运载火箭固体发动机、肼推力器之类的设置。女主角在返回地球的过程当中，先使用航天服上的肼推力器，从航天飞机失事的轨道，长途机动到了国际空间站轨道，然后又操纵国际空间站上的俄罗斯飞船，前往中国空间站，最后乘坐神舟飞船返回了地面。在整个过程当中，没有什么发明创造。问题是，这几种发动机在实际轨道飞行当中，是做不出来大速度增量机动的。

其他的科幻电影相对来说脑洞就要大一些了，在几乎所有的电影中，导演都会设想各种大推力离子发动机，完全超越了当今人类的科技水平。它们不但能让飞行器在行星大气层内自由飞行，甚至能够推动一艘完整的飞船从行星上起飞，进入宇宙空间，然后进入星际航行轨道。航天工程师们多年来一直在梦想着，有这样的一种发动机可以投入使用，然而到目前为止还不曾实现。

▲ 《无垠的太空》中，飞船采用大推力离子发动机

▲ 《星球大战》中的飞船，采用了大功率等离子发动机

▲ 《星球大战》中的另一种不合理宇宙飞船，著名的X翼战机

同样的设想出现在科幻电影《星际旅行》中。装满了星际移民的飞船，在飞行过程中因为遭到陨石的袭击，离子发动机的控制系统出现了故障，所以电脑唤醒了男主角，男主角又唤醒了女主角，两个人一起修好了控制系统，让飞船在经过了90多年的航行之后抵达了目的地。

大推力离子发动机，目前虽然还没有实现，但不算太离谱。所以在《流浪地球》当中，作者设想用离子发动机把地球变成一艘飞船，推向比邻星。这是迄今为止所有科幻电影当中，对于离子发动机设想最宏大的一个，要围绕着地球赤道及其向阳面，设置12000台像火山一样的离子发动机。

上面说的这些宇航动力系统还是比较现实的。在可预见的将来，通过技术研发，有可能把它们变成现实。特别是空间核动力已经进入比较高级的研发阶段，美国宇航局和国防高级研究计划局都已经在投资开发热核动力火箭，而中国科学院研制的液体金属冷却空间反应堆也已经进入了样机阶段。

▲ X翼战机的维护，完全是照抄航空母舰战斗机的模式

但是，另外一些空间动力的科幻想象就有些离谱了。

距离真实科学与工程最远的，可能是迄今为止最成功的航天科幻电影，也就是《星球大战》系列。《星球大战》当中，最值得一看的就是双方在宇宙里进行激烈空战的场景。反抗军一方的X翼战机和帝国一方的钛战机围绕着不同的星球，或者是死星这样的超级空间基地，进行着殊死搏斗。两种宇宙飞行器辗转腾挪、左冲右突，似乎完全不把轨道动力学的概念放在眼里。实际上，《星球大战》当中的宇宙战机空战完全是按照地球上近距离空中格斗的模式来设计的。如果真的有两种航天器在宇宙里如此格斗，那么动力系统必须极其强大，能够随心所欲地提供各个方向上的速度增量。按照人类目前能够想象出来的推力器，宇宙飞行器绝不可能有那么快，更不可能身轻如燕地到处躲闪。然而，这并不影响人们对《星球大战》的喜爱。

另外一个容易被科幻影视作品拿来作为题材，却没有办法在今天的航天科学技术当中找到对应的动力系统，就是超光速发动机，也叫做曲率发动机。它最早出现在《星际迷航》当中，因为有了这种超光速的发动机，所以飞船和主角们可以在不同的时空和不同的世界之间穿梭，构成了复杂的故事线。如果把《星际迷航》所有的版本都看一遍就会发现，是同一批正派和反派在不同的时空和不同的星球上反复争斗，要想把所有的故事线梳理清楚，是件非常伤脑筋的事情。或许正是因为太复杂了，《星际迷航》虽然从来就没有能够像《星球大战》那样带来庞大票房和文创市场，却一直吸引着一群铁粉并不断推出新版。

超光速飞行的理念，其灵感主要是从虫洞理论当中得来的。到目前为止，人类还没有发现一个真正的虫洞，所以曲率发动机这种东西也就只能停留在科幻当中了。但是也有一些科幻作家在推测：人类的文明是不是走了一条弯路呢？我们是不是错过了什么简便易行的方式来实施超光速飞行？美国有一篇科幻小说叫做《异星歧途》，它并没有被拍摄成电影作品。小说中设想了一个文明发展程度很低的外星种族，还停留在冷兵器和热兵器过渡的那个时期，可是这个种族误打误撞，突破了超光速发动机的研制技术。他们带着庞大的军团、坐着简陋的飞船来到地球，被严阵以待的美国军队打了一个全军覆没。美国科学家们在考察后大惊失色说，这样简单的超光速发动机，地球人为啥没发明呢？

▲ 《无垠的太空》里，被细菌感染的少年

也有一些作品，把玄学的东西和科学结合在一起了。《无垠的太空》中，设想了一种来自地外文明的细菌，这个地外文明其实想用这种方式来向地球传递消息，告诉地球上的人类，还有很多类地行星可以居住。但是人一旦感染了这种细菌，就会变成怪物。更玄学的事情是，其中一个女性角色感染细菌后，不断生长，最后把一颗小行星完全包裹在内。然后这颗小行星就可以违背轨道动力学的原理，在公转轨道上自由地加速减速。这就完全排除了我们对它进行技术讨论的必要性。

飙车

▲ 《火星救援》中的火星车

《独行月球》上非常重要的一个情节，就是独孤月带着大红袋鼠，在月球飙车，也就是迎着晨昏线前进，确保自己一直处在月昼之中。这个情节有合理的地方，也有演绎的内容。月球赤道位置的自转速度是16.7千米每小时，如果在纬度略高一些的地方，速度还可以更低一些。那么看上去，轮式车辆是有可能超越月球自转速度，保持在阳光照射之下的。这也仅仅是理论，人类对月球表面路况的了解依然是严重不足的。

月球上没有公路体系，看起来平坦的月面，覆盖着不同厚度的月壤。薄的地方只有几厘米，厚的地方有好几米。月球上没有植物也没有地表水，月壤就那样松散地堆积着，不会像地球上的冲积平原那样坚实，没有人知道，月球车一旦开上去，是会平安通过，还是陷进去动弹不得？月球上还遍布着大大小小的石头，并没有养路班把它们拖到一边去。我们在这里还没有讨论沟壑、陨石坑一类障碍。最麻烦的是永久阴影区，目前还不知道里面的路况是什么样，贸然把车开进去，只怕会有些麻烦。

在2015年的美国大片《火星救援》中，同样出现了一个飙车场景。男主角同样被丢在了火星上，不过他在一个有大气层的星球里，夜间低温的情况没有月球那么可怕。而且男主角还拥有核动力暖气——一个同位素电源。他把这个同位素电源用防辐射材料包裹起来之后，放在自己的火星车驾驶舱里，长途跋涉3200千米。这两个场景也说明，今后人类无论是开发月球还是开发火星，在外星球上飙车，都是一个刚性需求。哪怕不是为了逃生，仅仅是为了正常的科学考察和资源开发，长途行车都是免不了的。人员居住的营地需要放在地势平坦、地质结构稳定、靠近水源的地方。但矿产可能处在另外一个位置，必须用车辆把开采出来的矿石运走。冶炼厂同样不能放在营地附近，否则容易出危险。到了冶炼矿产的阶段，无论是月球还是火星，就不能仅仅依靠太阳能来驱动工厂了，大功率的核电站可能必须提上议事日程。核电站必须放在远离营地、矿场和工厂的地方，免得辐射造成危害。月球上氦3广泛分布在月壤里，它的开采更是一刻也离不开车辆。

▲ 制导导航控制系统在影片中很难表现

▲ 《 普罗米修斯》中这个大炮一样的东西并不是武器，而是导航望远镜

正所谓“道路千万条，安全第一条”，怎么才能保证外星飙车的安全，是科幻电影尚且没有深入讨论的。《星球大战》及其续集《曼达洛人》回避了这个问题，把星球地面交通都交给了反重力飞船。这似乎离人类太远了一点。在现实中，人们需要对外星球做充分的勘查测绘，才能考虑行车。另外，美国宇航局正在考虑在月球和火星轨道上建立类似于GPS的卫星导航体系，这样就有希望实现自动驾驶。无论是独孤月还是马克，都可以把行车的事情交给电脑，不用打着哈欠在方向盘前坚守了。

制导导航控制

多数科幻影视都不讨论具体的制导导航控制方式。在这些影片中，默认的设定就是，人类已经精确知道每一个天体的位置，想去哪里，直接把坐标输入就可以了，就像在地球上用导航仪开车一样。在一些影片中，会出现飞行中途切换目的地的情节。驾驶舱里的人们也只是在电脑上指指戳戳，就把一件如此复杂的事情搞定了。

最近一些年，也有些科幻电影把裸眼3D投影技术引入了场景，把星际导航变成了体感游戏式的操作。角色们在虚空之中，把3D显示的轨道拨来拨去，用起来很方便的样子。今后在工程实践上，会不会真的采取这种导航控制方式，也很难说。

▲ 《普罗米修斯》中华丽的导航星图

然而，《异形》系列的《普罗米修斯》做了一些硬核尝试。在影片末尾，外星工程师听说有个地方叫地球，适合自己的种族生存，就立刻大开杀戒，打死了在场的地球人，然后立刻启动飞船导航系统。这是迄今为止，所有科幻电影中最具有创意的导航系统。外星工程师在按动电钮，控制台上跳出了一个天球，里面用3D显示了宇宙里的各个星系和星球。他用一个望远镜式的东西，在天球里找到地球，锁定之后，就启动飞船。然后导航系统自己计算轨道方案，要去搞大屠杀了。

科幻影片之所以对制导导航控制这样忽视，主要是这个方面的情节并不是很容易出彩。多数工作都在计算机内部，依靠枯燥的公式和数据来自动完成，既不能体现主角的神勇，也很难激动人心。所以，《普罗米修斯》当中的场景设计，算是非常有创意了。

《机器人总动员》里有欢快的食物，也对制导导航控制做了一番欢快的描述。当新任舰长决定带所有人返回地球、重建家园的时候，机器人助手竟然跳出来反对，说按照自己的程序设定，不能返回地球。舰长和机器人做了一番搏斗，才拿回了飞船的控制权。

武器

战争是航天科幻作品当中无法回避的一个主题，飞船之间的激烈战斗，比其他类型的情节都更容易吸引观众，制造轰动性的票房。

在太空里人类该用什么东西来打仗呢？或许所有人都可以脱口而出，当然是用激光。

▲ 《普罗米修斯》里的地球人飞船

▲ 《普罗米修斯》中奇异的外星飞船

其实激光也不是那么容易用的东西，目前即使在地球上，想用激光来击毁什么对方的目标也并不是很容易。美国海军刚刚装备的舰载激光器，即使用舰艇的强大供电能力，只能在几千米的距离上击毁小艇、无人机之类的小东西，要想击落对方的导弹甚至于攻击军舰，还只是一个梦想罢了。

在宇宙空间，虽然光不会受到大气衰减之类因素的困扰，但是航天器和航天器之间的距离要远远超过地面上的战场，相距几千千米甚至于上万千米，都不是什么新鲜事。激光在这么远的距离上，也会发生不可忽视的散射，命中点光斑上的能量会受到严重削弱，很难起到杀伤作用。

但是这并不能够阻止导演们安排宇宙战舰用激光互相射来射去。特别是在电影《星球大战》当中，激光炮打出来的光线并不是一段射线，而是曳光弹那样一段一段的。击中之后也不是像激光那样会烧出一个洞来，而是像被炮弹打中那样当场就爆炸了。

▲ 《星球大战》中的激光都是线段，而不是射线

航天科幻影片中最具有特色、也最不合理的武器就是激光剑，完全违背了激光的基本特征。激光是一种射线，当它发射出来以后，如果没有被什么东西挡住，就会射向无限远的地方。可是影片中的激光剑，却能够形成一个一米多长的光柱，就像喷出来的火焰一样。虽然从《星球大战》上映的第一天开始，物理学家和光学工程师们就发现了这其中的不合理性，但是谁也没有为此指责《星球大战》这部电影，因为它给人们带来的视觉享受实在是太特别了。也正是因为如此，激光剑这么一个不合理的设定，从上世纪70年代延续到2022年的今天，继续在最新的剧集《曼达洛人》当中切来砍去。

在太空战争类型的电影中，导弹也是常见的兵器。但是多数影片没有对太空导弹做详细的设计，《无垠的太空》中，太空导弹和地球上的导弹一样是细长圆柱体。其实在没有空气的太空里，导弹更应该设计成反导拦截器的样子。更早的《第五元素》里，索性就放弃了对导弹的描绘，简化成显示器上的光电罢了。

▲ 《星球大战》中最不合理也最迷人的武器——激光剑

时空

在诸多航天科幻中，非常吸引人，却又距离实际物理学很远的一种设置，就是时间旅行。因为宇宙的尺度很大，所以一旦实现了超光速飞行，人类是有可能进行时空穿梭的。然而这是一种还没实现的可能性。

《星际迷航》可能是第一个大规模引入时空旅行的。这或许比超能力更加接近科学。时空旅行是根据所谓虫洞理论提出的，这个概念认为，宇宙中可能存在连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞理论在1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出。1930年，爱因斯坦在研究引力场方程时接受了这种假设。虽然科学家们目前还没有找到任何真的虫洞，但爱因斯坦的背书，让一大批影视作品理直气壮地讨论起时空旅行来。这比宇宙间的遥远距离更让人疑惑：在不同的时间当中穿梭，人类的现有逻辑方式不就全乱套了吗?当然，这也给了剧作家和导演们发挥想象力的更大空间。

▲ 《第五元素》中，地球巡逻飞船用导弹攻击邪恶外星，但毫无作用

▲ 《第五元素》中，庞大而奇异的外星飞船前来收回神秘武器

▲ 《星际穿越》的男主角穿越时间后，见到了行将就木的女儿

《星际穿越》同样讲述了一个时空穿梭的故事。这部电影所讨论的还不仅仅是超光速飞行，还讨论了不同引力场之下的时间扭曲问题。这为人们展示了一种可能性：只有通过宇宙飞行，才能充分理解相对论，揭示时间和空间的本质。不过这种类型的电影往往比较烧脑，除了专业物理学的研究者，其他人就算是对时空问题有所研究，也要在观影之后，坐下来计算研究一番，才能理解剧情变化。因此，这类电影往往是叫好不叫座，只能靠长尾效应来赢得票房收入。

在太空吃饭

人是肉体凡胎，哪怕进入了太空，思想超越了光速，该吃饭还得吃饭。多数科幻影片把吃饭问题一带而过，或许是因为太空生活不易，没条件太讲究美食吧。在多数影片中，如果安排吃饭情节，角色们都是端着一个多格餐盘，里面装着各种不同颜色的糊糊。比较有创意的，是新版《星际迷航》的剧集版，为舰长安排了一份奇异的沙拉，里面不但有蔬菜，还有莫名的外星生物触角。

▲ 《火星救援》的男主人公马克在火星上种土豆

▲ 马克在查看被摧毁的土豆苗

但是有两部电影，却认认真真讨论了太空食物的有无问题。一部是著名的《火星救援》。它的情节和《独行月球》有点像，都是团队紧急撤离过程中，丢了一个人在外星上。区别在于，《火星救援》里的马克发现粮食不够吃，因为他的考察队只有几个人，留下的粮食只够吃一个月的，所以他设法制造了水和肥料，在火星上种了不少土豆。中国的作者和导演可能是无法忍受一直吃土豆的生活，于是给《独行月球》里的独孤月留下了100多人可以吃很多年的食物。

当然，人类要想在太空里长期生存，最终还是要吃些正常的食物。这些食物必须在太空农场里种植出来，才够新鲜。在《星际穿越》的结尾，人类逃离了环境失控的地球，在太空里建立了居民点，它也采用人工重力的原理，用一个巨大的滚桶形成了室外桃源，农田就贴着滚桶的内部建立起来了。

当然，并不是所有的航天科幻，都逼着航天员去吃枯燥或者奇异的食物。在《机器人总动员》当中，因为地球上的环境污染严重，人类被迫造了一艘巨大的飞船，全体逃亡太空，等着地球自洁。这一等就是好几百年。人类在度假飞船里享受着机器人的服侍，衣食无忧，脑满肠肥，从船长到居民，都是一副胖墩墩的样子。这可能是各种太空科幻电影中，吃饭最欢快的一部了吧。