《星球大战》里的飞船违背了哪些物理定律?
在距地球表面600千米的高空中,
声音无法传播,没有大气压,更没有氧气。
太空中不可能存在生命。
—阿方索·卡隆执导的电影《地心引力》
我不知道我小时候到底看过几百遍《星球大战》三部曲。但比起看这部电影,我其实更喜欢听电影里的各种声音。我沉迷于激光剑的碰撞声,一听到这个声音,我就会拿起身旁最近的棍子(通常是一把扫帚)在走廊里不停地挥舞,用嘴巴模仿激光剑打斗的“咻咻”声。除此之外,我还酷爱自行“搭建”飞船(或者说,长得像飞船的不知名物体),让两艘“飞船”在客厅中间互相战斗。同时,我在一边不停地模仿飞船的射击声,或者是飞船被撞毁时的爆炸声。
以前,我总是幻想着帝国舰队那些埋伏在某处的钛战机的样子—实际上就是由一个球状物两边连着像太阳能板一样的物体构成的。帝国舰队的钛战机去追踪那些反叛联盟的X翼星际战斗机,这个战斗机以它的X形机翼而闻名,有点像卢克·天行者驾驶的战舰。毫无疑问,《星球大战》这部传奇电影最让人难忘的场景正是那些在宇宙最深处发生在战舰之间的激烈战斗。激光剑发出的一道道红绿光在宇宙中不停地闪烁,剑的碰撞声和战舰爆炸的声音此起彼伏……不过,等等,碰撞声?爆炸?外太空里的噪音?随着年岁的增长,在学习了物理知识后,我意识到这是不对的。如果我们离开地球,那么我们会被寂静永远包围,再也无法听到任何声音—不会有任何噪音、爆炸声干扰着我们,同时也不会有美妙的夏日歌谣。可是,这是为什么呢?
声音其实是一种波。我们的耳朵接收到声波,接着外耳道鼓膜在声波的影响下振动,最后我们的大脑收到信号再将声波转化成信息。这个过程的结果就是,我们能够听到各种各样的声音:说话声、哨子声、“轰”的爆炸声,还有莫扎特的音乐。但同时,这个过程的发生需要一个很重要的条件,即波需要介质才能传播。比如说,海浪是通过水来传播的一种波,如果我们摇晃一根绳子,绳子可以自行传播这种摇晃的波,因为它本身可以构成传播介质;又比如说,我们把一个石子扔进水塘里,激起了水波,水波通过水的表面来扩散并传播;再比如说,地震波也是通过组成地球的物质来传播的。同理,声波实质上是一种压力波,可以通过水、空气等介质传播,传播的介质是什么取决于我们所处的环境。不管在何处,声波的传播都需要借助介质,从本质上而言,声波传播的过程即能量在介质中传递的过程。声源振动的能量让组成介质的一部分分子产生振动,而这部分分子振动的能量又会继续影响下一部分分子,这样就形成了波的传播。
声波传播的速度会根据介质的不同而变化。介质的密度越大,声波的速度越快,毕竟在密度大的介质中分子之间的距离会更小。因此,声音在水里的传播速度比在空气中更快。这也就是为什么在水里能实现更快的沟通和交流,那些聪明的鲸鱼彼此之间隔着好几公里,却仍然能够听到彼此发出的声音。当然啦,声音通过固体传播会比通过**还要快些。所以,如果我们把耳朵贴在火车轨道上(这个场景在很多逃犯电影中都出现过,但我个人并不推荐大家效仿),就会听见远处的火车发出的声音,然而在空气中,我们却什么也听不见。这就是因为声音的传播速度在火车轨道中比在空气中要快得多。同理,如果我们想要知道邻居家在讨论些什么,把耳朵贴在墙上会听得更清楚。当然,这个行为我也并不推荐。
事实上,大多数情况下我们既不生活在水里,也不会时常把耳朵贴在柱子上或墙上。所以对于人类而言,在大部分情况下,声音的传播速度即在空气中的传播速度为:340米/秒,1.225千米/小时。目前,只有我们在第二章中提到的菲利克斯·鲍姆加特纳和几种世界上最快速的飞机做到了超越声速前进,这种速度我们称之为“超音速”。那些超音速飞机在以足够快的速度飞行时,在超过声速的时刻,会发出剧烈的声响。也许你看见过这样一幅照片:仿佛是在神奇魔力的作用下,一架歼击机凭空从一朵云中飞出来了。在照片中,飞机后的白盘状云朵是飞机以超音速前进时,在冲击波的作用下,形成的冷凝云。这个现象被叫作“普朗特-格劳尔奇点”。在《超人》系列电影的最新一部中也描绘了这个现象。不过超人已经不止一次、两次,而是连续五次实现了超音速前进……
流行小知识:“马赫数”是奥地利学者恩斯特·马赫提出的概念,是一个表示速度的无量纲参数。马赫以音速来定义一切物质的速度,在同一种介质中,一个物体的运动速度为V,声音在该介质中的传播速度为Vs,用音速来衡量一切速度,即1马赫为一倍音速,2马赫为两倍音速。这个方法为超音速飞行事业的发展提供了便利。看过电影《壮志凌云》的人应该对此都很熟悉吧:“以1马赫的速度前行。”“马维瑞克,是时候超过2马赫速度了!”
所以说,在地球的大气、海洋里,甚至是游泳池里,我们都可以听见声音,但是在外太空里(根据国际航空联合会的定义,外太空为距地表100千米之外的范围),没有任何物质存在,那么声波也就没有介质可以传播。好吧,严格来说,太空里还是有东西存在的:每立方米的环境中大概存在100万个物质原子(听上去很多,但实际上这些原子几乎可以被忽略不计),有的地方还有气体和尘埃云以及神秘的暗物质。外太空的温度大概为零下270摄氏度(3.15开氏度)。在这种情况下,由于环境中存在的物质过于稀少,声波几乎无法传播,而且人类也无法呼吸,因为根本没有氧气。
科学逸事:宇宙是一个并不利于生命生存的环境。如果把我们随机扔在宇宙中的任一角落,那么我们极有可能在一颗恒星上被烧焦,在太空里被冻僵,被吸入黑洞中,或者被困在一个完全不宜生存的星球上终结生命。只有在这个叫作“地球”的小小星球上,我们才能找到生存的最佳条件。可就算是地球,也有很多不适宜人类居住的地方:南北极、沙漠、深深的海沟以及陡峭的山峰。所以,正如美国物理学家及天文学家卡尔·萨根所言,我们应该认真呵护广袤宇宙中唯一适合人类生存的这片珍贵的土壤。
了解了以上知识,现在我们知道了,如果我们在外太空亲身经历一次爆炸,我们只能通过双眼看见爆炸,却不能听到任何的声音,就好像我们的耳朵里被塞进了棉花,或者是看电视却不打开声音的感觉。这种感觉很奇怪,但事实确实是这样。宇宙中只有极少数地方存在声音,这些地方具备声音可以赖以传播的媒介物质、声音接收器官(如耳朵)以及声波的信息处理器(如大脑)。
《星球大战》的导演乔治·卢卡斯确实不曾考虑过电影里的各种想象画面是否符合客观物理规律,但是无论如何,我都要感谢他,感谢他带给我的各种幻想、对地球以外世界的好奇以及我那吵吵闹闹的美好童年时光(可能我妈妈并不这么认为)。然而,并非所有科幻电影都是这样。“硬科幻”作品,即那些在畅想未来和外太空的剧情时试图将物理规律纳入其中的作品,还是比较有科学依据的(尽管如此,他们还是很难做到百分百严格地遵循物理规律)。这类流派的著名人物有美国作家艾萨克·阿西莫夫、英国作家亚瑟·查理斯·克拉克和波兰作家斯坦尼斯拉夫·莱姆。同样地,也有一些科幻电影特地描绘了太空中的寂静特点,如斯坦利·库布里克执导的《2001太空漫游》,还有最近由阿方索·卡隆执导的《地心引力》。在《地心引力》里,有这样一个桥段—乔治·克鲁尼饰演的角色和桑德拉·布洛克饰演的角色一同站在空间站中,静静地注视着地球。这时,布洛克问克鲁尼:“你最喜欢太空的什么?”克鲁尼深深地看着布洛克,答道:“安静。太空很安静。”