解密《阿凡达》中的真实科学

在导演詹姆斯-卡梅隆的《阿凡达》中，时间已来到了2154年。那时人类已经能够旅行到非常遥远的星球。电影带领我们来到了覆盖着丛林的奇异星球“潘多拉”。在那里，人类反而成了与本地种族酝酿冲突的外星人。为美国国家航空航天局(NASA)火星探索计划摄像机研究担任顾问的卡梅隆总是认真地将科学事物带入自己的作品中。因此究竟他是怎么做到的？下面就为你揭开影片中的科学与现实中各自领域的顶尖技术的联系和区别。




重机械外骨骼战争机器

　　《阿凡达》中：在潘多拉的丛林中打斗和行进的动作，人类都是在一个被称为放大机动平台(Amplified Mobility Platform，AMP)的装甲中进行的。这些装备了外骨骼构造的交通工具与《黑客帝国》中的个人战斗装甲(Armoured Personnel Unit)以及卡梅隆自己作品《异形》中的动力装载机非常类似。但它有着一个封闭的驾驶室。设备的外部肢体将随着驾驶室中操作者操作武器和脚的动作做相应的变化。这就相当于将这些动作放大了一样。操作者转动手臂几英寸的距离，AMP相应的巨型金属手臂就会移动10英尺左右。“这种超级液压设备异常强大，这样AMP就能够对建筑以及所有的东西进行破坏，就像坦克一样，”《阿凡达》交通工具设计者泰-鲁本-埃琳森(Ty Ruben Ellingson)解释到。这种力量增强的组件可以让操纵者轻而易举地操作30mm口径的机炮，就像一个人举起步枪一样简单。为了进一步解释AMP组件，“斯坦-温斯顿工作室”(Stan Winston Studio)的设计主管约翰-罗森格兰(John Rosengrant)将它形容为“有脚的阿帕奇直升机”。


　　现实科学中：几十年来美国军方一直在考虑利用有动力推动的外骨骼套件，这种套件可以让士兵随身背负着沉重的装备以及更大的武器装备。同时这种套件也可以运用在救援方面：为受伤后的重建、康复提供帮助。陆军的研发分支机构DARPA(美国国防部预先研究计划局)从2000年起就为其“增强人体机能的外骨骼”计划 (Exoskeletons for Human Performance Augmentation)提供大量补助，包括为“Raytheon Sarco”小组提供资金。他们的机器被称为XOS，重约150磅。它可以装备在穿戴者的手臂、腿部和背部。这种铝制机器人的液压系统设计能够让穿着者将 200磅重的物品举起数百次却不会感到疲惫。但同时XOS也相当灵活，穿着这种机器的人甚至还可以上楼梯或者踢足球。这种设备遇到的最大障碍就是它的独立供电系统。目前的XOS仍然需要接上外部电源。另外在伯克利的麻省理工学院还有其他研究这一项目的团队，本田公司也为更矮的身材设计了类似的设备。同时，一家被称为Cyberdyne(名字是来源于卡梅隆《终结者》系列中创造天网的公司)公司的日本研究人员已经发明了一种类似钢铁侠的躯体覆层，主要帮助进行物理治疗。这种设备被命名为“机器服混合辅助肢体”(Robot Suit Hybrid Assistive Limb)。

　　“像《阿凡达》这样的电影可以帮助我们更好地考虑这样一种可能性，”在马萨诸塞州纳提克士兵研究发展和工程中心领导“士兵移动和任务拓展”(Soldier Mobility and Mission Enhancement)团队的大卫-奥德特(David Audet)表示。这个团队在开发XOS中起到了关键性作用。有很多好莱坞电影都涉及到了AMP组件，这表明这种设备可以进行大量的后勤工作，例如它可以作为“一个基础平台，只用很小改动就可以成为威力巨大的攻击组件。”



　　半人马座阿尔法星

　《阿凡达》中：拥有黄白色光芒的半人马座阿尔法星A是非常类似我们太阳的一颗恒星。它的光芒照耀着巨型气态行星波吕斐摩斯星 (Polyphemus)和它的卫星潘多拉。在这郁郁葱葱的世界中，巨大的野兽漫步在丛林中，翼手龙类的动物在天上飞翔。一种有意识、皮肤呈蓝色的类人物种“那美”(Na'vi)在此慢慢进化，并最终学会了如何与自然和谐相处。


　　现实科学中：半人马座阿尔法星A是组成半人马座阿尔法星的三颗恒星之一，它距地球4.37光年，也是离我们太阳系最近的恒星邻居。去年1月，耶鲁大学天文学家黛布拉-费希尔( Debra Fischer)领导的研究小组开始了一项为期5年的半人马座阿尔法星测绘计划。他们使用智利托洛洛山美洲际天文台(Cerro Tololo Inter-American Observatory，缩写为CTIO)1.5米的望远镜进行观测。她的小组正在寻找恒星光线中由引力轨道牵引而产生的有规律、并能揭示问题的波长。这种“摇摆法”已经排除了围绕阿尔法人马座恒星旋转行星中类似木星或土星规模的行星(如波吕斐摩斯星)。但“这是个非常好的机会，”菲舍尔说道，那些与地球质量相近的星球将可能存在于这个星系中。“目前对于围绕单一恒星公转的行星的形成，我们也仍然还有很多不明白的地方，”菲舍尔说，更不用说像半人马座阿尔法星这样的三恒星系统了。所以究竟那里有什么，“这几乎仍然是个空白。”
　　通过研究半人马座阿尔法星中心被称为半人马A和半人马B两颗恒星的轨道力学，可以计算出指出哪些行星可能会适合人类定居。两颗恒星围绕着彼此做周期旋转摆动的引力为11至36天文学单位(AU，从太阳到地球的平均距离)。 (第三个星球、一个颗称为“比邻星”的红矮星，在相当远的地方围绕着这两颗星球转动，这已经不属于费希尔团队研究的范围了。但它也有可能拥有围绕其公转的小行星。)鉴于这一运行模式，距离半人马A和半人马B2AU或更远距离形成的外行星轨道将因其他星球而变得不够稳定，并最终被抛离出这一系统。
　　幸运的是，如果生命已在半人马座阿尔法星中生根发芽了，它便不太可能会落得如此下场。适合居住的区域(可能拥有适合的温度，以及液态水的星球)轨道范围非常靠近半人马A和半人马B。比太阳稍大一点的前者，在距其1.2AU距离远的地方存在一个适宜人居住的区域。而距离质量约为太阳90%的半人马B大约 0.75AU的地方也存在着这样的区域。因为这两个恒星化学组成类似太阳，都拥有同样可以让生命在地球上出现的元素，因此这应该可以让它们的行星成为孕育生命的星球。
　　目前，评判的焦点仍是是否在半人马座阿尔法星系统中存在体积更小、类似地球这样适合生命孕育的星球。但费希尔预计这个答案将很快得到。“2012年底答案就将揭晓，”她说道。同时，其他方面的努力：如日内瓦大学著名的行星猎人米歇尔-麦耶(Michel Mayor)和英国坎特伯雷大学领导的一个新项目可能会让这个答案揭晓的更早。


　　
反物质飞船

　　《阿凡达》中：为了飞向阿尔法半人马星，人类建造了长约1英里、装备了反物质融合引擎的飞船。这种飞船可以以7/10的光速飞行，约等于每小时67000万英里的速度。即便是以这样的速度航行，到达离我们最近的恒星也需要飞行大约6年的时间。


　　现实科学中：作为用于推进的能量来源，你不能让其他物质与反物质粒子接触，这样会毁灭彼此。“这是我们已知的最强大的反应”，美国国家航空航天局的乔治-施密特 (George Schmidt)说到。他一直致力于开发先进的推进系统，目前担任俄亥俄州研究与技术局(Research and Technology Directorate)副局长。物质-反物质毁灭时释放的能量能够作为火箭喷嘴喷出的推进剂，或者反物质在其他材料中能够引起核裂变或核聚变反应来产生相对较小、但依然强大的推力。然而，飞往半人马座阿尔法星单程距离就达到了26万亿公里。要想得到足够的反物质，并长时间储存这些不稳定的燃料是相当昂贵而困难的。
　　首先，制造这些东西就不是一项简单的任务：在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所和芝加哥费米实验室的粒子对撞机迄今为止只产生过约12微克的反物质(不过应该指出的是，这些设施设计的目的并不是为了制造大量的反物质)。目前反物质的价格大约是600亿美元一微克，施密特表示。尽管需要花费数几十亿美元，但一个专门制造反物质的设施可以将这一成本降低到大约600万美元一微克。 “我很高兴(《阿凡达》电影制作者)能用混合核工艺作为能量来源，”施密特说到，“这样概念对反物质的需求要比一个纯反物质推进火箭少得多。”但施密特同时也表示，反物质核聚变引擎无法产生可以让飞船以十分之七光速行驶所需的推力。
　　反物质的储存也是另一个严重的问题。电磁场可以通过让反物质远离容器壁，并在潘宁阱(Penning trap)中存储反物质。但这只能维持数月的时间，而后反物质就会与容器中的其他粒子碰撞。目前还无法制造出一个完美的、不存在其他物质的真空环境。宾夕法尼亚州立大学物理学名誉教授兼研究反物质应用的宝西(Positronics)公司创始人杰拉尔德-史密斯(Gerald Smith)解释到。
　　总而言之，一个向半人马座阿尔法星运送(并折返回来)大量货物的星际任务需要数千吨的反物质，并将其储存在一个燃料箱中长达数年的时间。这显然是一项非常艰巨的任务。一旦这一切都搞定了，也还有飞船到达半人马座阿尔法星时该如何减速的问题。 “你将会有个漂亮的俯冲，”施密特说到，飞船可以通过星球重力与向地面喷射的反作用力来帮助其减速。


杰克-萨利和他的“阿凡达”

　　灵魂出窍体验

　　《阿凡达》中：自从人类首次抵达“潘多拉”星并开始入侵式采矿作业后已过去了30年的时间。而人类也一直与当地土著“那美”人保持着紧张的关系。因人类无法在潘多拉的大气中呼吸，两个种族之间的关系也愈发复杂化。为了试图与那美人交流，地球上的资源开发管理总署(Resources Development Administration)启动了“阿凡达”计划来创造半人、半那美混血的生物来担任大使。依靠复杂的接口设备，一个人类可以通过“心灵感应”来控制这具“阿凡达”身体。让他可以像那美人一样游历“潘多拉”。在孪生兄弟去世后，主人公杰克-萨利(萨姆-沃辛顿饰演)被召进了这项计划。对于杰克来说，这一悲惨的事件没有让他得到一个小小的安慰：一场战争导致他半身瘫痪。现在通过他的“阿凡达”，杰克可以再次起身行走。


　　现实科学中：目前人们已经做过了很多研究人类与化身相连接的工作，也就是让生物学“湿件”(wetware，即人脑)控制加工出的硬件。这些脑机接口(BMI)研究的目的也确实是为了让像杰克一样的残疾人重新拥有活动能力。 “电影《阿凡达》中的这一内容与我们目前正进行的实验工作惊人地相似，”杜克大学神经学家兼跨国“重新行走项目”(Walk Again Project)首席研究员米格尔-尼克拉里斯(Miguel Nicolelis)表示。该项目正在开发一种能够让残疾人穿戴的外骨骼，这种骨骼可以从这个人的思想中接收命令。
　　去年，尼克拉里斯和他的同事提供到目前为止这一技术最先进的范本。在他们位于北卡罗来纳州的实验室内，研究员们训练一只恒河猴让它在跑步机上直立行走。随后他们提取猴子脑中的神经信号并将这些信号连同视频通过互联网传送到位于日本的一个实验室。在那里有一个机器人可以完全同步猴子的步态。“我们正在训练让猴子通过自己的脑电波活动来控制化身。”尼克拉斯说到。
　　其它的研究工作已经能够让灵长类动物远程控制机械臂的移动。在人类方面，电极植入可以帮助合成发声，也可以用意识来移动电脑光标。此外，还有其他研究正试图凭借可穿戴的机器接口来让已断裂的骨髓周围的神经信号改道重连大脑，进而让正常的身体肌肉发挥作用。
　　然而，《阿凡达》中，意识无缝并完美地转换进另一具生物身体的设想已经远远超出了目前认知的范围，“这是非常牵强的。”尼克拉斯说到。

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