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《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

科技 12个月前 社科兔
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  来源:中国国家天文

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  广阔的大地上,沙漠流淌着蛇形波纹,微风扬起一缕缕黄尘。远处暗青色的天上,两轮明月照耀,一大一小,悬浮如巨大而苍白的幽灵。一位女子身穿长袍,在沙脊上漫步。暮野四合,风鼓动着她的衣摆……

  这幅画面,是最近上映的科幻电影《沙丘》中反复出现的意象。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  电影的故事,在一颗名为“厄拉科斯(Arrakis)”的沙丘星球上展开。上万年后,人类已成为散布在银河系中的星际文明,而厄拉科斯便是文明的一处寓身之地。这座遥远的行星遍地沙漠,干燥炎热,却有独特的生物繁衍生息,并蕴藏着被人类视为珍宝的矿物“香料”。在科技与传说之间、土著与军队之间、命运与偶然之间,异星史诗的大幕徐徐拉开。

  神秘主义、政治阴谋、科技伦理……或许是《沙丘》的主旨。不过,在精致的视听语言背后,其实有更多科学逻辑可供解读。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  

  在《沙丘》的世界,上万年后,人类已经在银河系中找到了许多行星。它们有的雾霭沉沉,有的绿树如荫,但毫无疑问,地质构造和大气成分都适合人类生存。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑《沙丘》中的一些行星 / Reddit

  的确,银河系中,能够承载生命的行星或许是恒河沙数。截止这个月初,人类已经在太阳系外发现了4843颗行星,它们分属于3579个不同的行星系统。按照这个探测比例,仅在我们自己的星系里,绕着自己母星运转的行星就有数千亿之多。

  1959年,华裔天文学家黄授书提出了文明生存的“宜居带(habitable zone)”。离恒星太近的地方,烈焰熊熊,万物枯涸;离恒星太远的地方,冰天雪地,万物凝冻。只有正好处于离母星不远又不近区域里的行星,才能留存液态水,孕育我们已知的生命形式。一切天然适合人类生存的行星,只能在宜居带内找到。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  黄授书与他提出宜居带的论文

  在太阳系的宜居带中,地球是一颗夺目的蓝宝石。她不负众望,用覆盖七成表面的液态水,孕育了璀璨的生命奇迹。而与我们乘坐的生命之舟并驾齐驱的,还有赤红的火星无数主带小行星。按照最宽松的估计,它们的轨道可能也囊括在太阳系宜居带中。人类的探测器纷飞穿梭,试图在它们身上嗅到生命的气息。

  在迸溅到地球上的火星陨石里,人们甚至看到了形如细菌的化石结构。倘若有朝一日,我们真能在宇宙后院偶遇素未谋面的外星邻居,那将是人类历史上前所未有的重要时刻。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 火星陨石中类似微生物的结构 / ESA

  当然,要想像电影中那样,移居外星轻松如搬隔壁小区,我们还有很长的路要走。影片中人类家族刚迁至沙丘星球,无需面罩便可自如呼吸,无需训练便可自在行走。这意味着星球上的气压、氧气浓度、重力等参数,都和地球相近

  根据2013年的研究,纵观银河系中的群星,每五颗类似太阳的恒星中,就有一颗拥有处在宜居带、且和地球大小相仿(1-2倍)的行星。乐观估计起来,银河系中可能有超过一百亿颗人类的“备用家园”。要在其中找到一颗“厄拉科斯”,似乎并非难事。

  

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑《沙丘》里的沙漠

  在电影的外太空镜头里,行星弧形的大地散发着金黄的色泽。当我们注视一颗固体星球,第一眼感受的是它反射阳光的能力——反照率(albedo)。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  沙丘星球地图 / Twitter

  倘若一颗行星表面光滑如镜,把照射的阳光悉数反射回太空,反照率就等于百分之百;倘若表面黑糙似炭,几乎吸收了所有阳光,反照率就是零。在地球上,森林和海洋的反照率都低于百分之十,而沙漠是百分之四十

  照此来说,电影中厄拉科斯遍地黄沙,应当璀璨夺目:照在它身上的光线,近四成都被表面晶莹的硅化物反射回外太空。相比之下,我们夜里惊叹的明亮满月,才仅仅反射了一成而已。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑纪录片《佐杜洛夫斯基的沙丘》海报 / IMDB

  1970年代中期,著名导演佐杜洛夫斯基尝试拍摄《沙丘》。虽然影片最终流产,成为了影史“失落的传奇”,讲述这一过程的纪录片《佐杜洛夫斯基的沙丘》却流传于世。在片中,他展示了自己细节丰富的手绘分镜集:

  “我想用一个长镜头开始《沙丘》的拍摄,比奥逊·威尔斯《历劫佳人》开头的长镜头还要好。我希望能从最长的距离开始。整个镜头穿越宇宙……你会觉得你在穿越银河系,在穿越银河系的时候,看到一群海盗,正在抢劫一艘运输香料的船,然后……战斗。镜头向前,向前,向前……这样一个长镜头。”

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 分镜手稿 / 剧照

  这个绝美的长镜头扎进银盘、悬臂、气体云、行星系,掠过四散的飞船和烟火般的爆炸,穿过小行星带和漂浮的太空城市,最终俯瞰沙丘星球,并聚焦于开采香料的城市上。

  如果导演请一位天文学家来做顾问,或许会再加一幕:从行星系外围看去,沙丘星球如一颗金黄的宝石,在漆黑的太空中熠熠闪耀

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑从土星附近回望,中间璀璨的星星是地球 / NASA

  

  既然有缤纷多彩的生态系统,厄拉科斯当然属于宜居带。按电影所述,它地表气温在三十到六十摄氏度之间,足以让液态水稳定存在。这或许该归功于星球表面猛烈的沙尘暴:黑暗的高空沙雾阻挡入射的阳光,像海绵一样吸收辐射,并且抑制地面能量反馈,凝结蒸腾的水蒸气。

  地球上,飞尘降温的“太阳伞效应”也很明显。根据联合国评估,1991年东南亚火山爆发,烟尘飘浮,导致全球的气温都平均下降了半度。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 阿拉伯沙漠的沙尘暴 / Sputnik News

  气势磅礴的沙尘暴,其实也源自天文过程:行星自转。地表的物体按惯性沿直线运动,大地却在不断旋转,缓慢地改变方向,导致物体的轨迹相对于大地稍稍朝一边歪斜。在地球上,这种现象让本该南北走向的信风朝东西吹拂,吹动了环绕地球的航海贸易;给热带气流加上了旋转,最终愈演愈烈,成为台风登陆。

  而在沙丘世界,它则鞭策起轰轰烈烈的冷热对流,野马尘埃,一小时八百公里,抟扶摇而上。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑地转偏向力原理图示 / E。 Linacre & B。 Geerts

  在地面上的人看来,物体运动凭空偏转,好似受了某种无形的“地转偏向力”。根据发现者的名字,有时也称它为“科里奥利力”。因此,在片中我们才会听到“科里奥利风暴(Coriolis Storm)”这样的别称。

  2003年,科学家拍到火星阿西达里亚平原(Acidalia Planitia)的一场沙尘暴,飞沙吞噬的面积相当于地球上一个大洲。看来,若未来的人类迁徙到邻家星球,倒真可能会目睹电影里的壮观景象。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑上四分之一处为沙尘覆盖区 / NASA

  

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  《阿拉伯的劳伦斯》海报 / IMDB

  连绵不绝的沙漠,渺小的建筑,神秘的原住民……这些不是第一次出现在银幕上。1962年的另一部经典电影——《阿拉伯的劳伦斯》拍摄于壮美的中东沙漠,和《沙丘》一样,也意图触摸影视艺术辽阔的极致。

  片中特别令人印象深刻的,是个足足用一分钟铺陈的镜头:

  远处白沙与蓝天相接,空无一物;慢慢地,出现了一个几乎看不清的小黑点;热浪颤抖,吞吐着地平线上若有若无的黑点;那黑点抖动着,伸展着,慢慢颜色加深,最终变成一匹确定无疑的沙漠之舟,载着主角缓缓走来……

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 《阿拉伯的劳伦斯》中的场景 / 剧照

  无垠的大漠,似乎天然为大银幕而生。现今,要最大程度地欣赏《沙丘》,最好走进2D IMAX或中国巨幕影院,完整体验震撼人心的魅力画面。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  《沙丘》与《阿拉伯的劳伦斯》之间的联系,其实极为深厚。后者的原型来自上世纪初一位英国军官托马斯·劳伦斯,他被英国派赴阿拉伯作战,抗击侵略该地的土耳其人。但他逐渐融入了当地贝都因人的文化,转而成为他们的精神伙伴,为阿拉伯人自己的权益而战。

  除此之外,私生子的身份、特殊的沙漠坐骑、文化特色的佩刀……对照《沙丘》,不难看出相似性。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  劳伦斯身骑骆驼,率领阿拉伯人战斗 / Britannica

  《沙丘》原著,也从劳伦斯的个人回忆录《智慧七柱》里借来了许多美感。例如《智慧七柱》第十四章:

  “我们再次上路,沉重地穿过夜晚的寂静——那静谧如此浓烈,以至于我们不断在鞍子上转身,幻想自己听见了那星星缀成的夜幕披风发出的遥远声响。但活力蕴藏着我们体内,蕴藏在我们穿过那些幽灵般的芬芳花朵时灌木丛的噼啪声……月亮在群山顶上升起,描出石灰岩层的轮廓,澄澈如晶莹的白雪。”

  《沙丘》第六章,几乎是完全相同的情景:

  “黎明前的寂静笼罩了沙漠盆地。他抬头看去。高悬在头顶的,是亮片一样的星星,点缀在深蓝色的夜空披巾上。南边的地平线上,低垂着此夜的第二轮月亮,透过薄薄的尘雾……发出晶莹的光。月亮沉入防护墙的峭壁,为墙边撒上了一层白霜。……他看到一大团红色的花朵,以及穿过它们的清晰紫色痕迹……好像巨大的脚印。”

  不管是真实世界,还是幻想星球,月亮似乎都是作家绕不开的意象。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑《沙丘》电影中的月亮 / 剧照

  在沙丘世界里,月亮有两颗大的叫科勒伦(Krelln),小的叫穆迪布(Muad‘dib)。从电影画面来看,科勒伦比穆迪布离行星更远,看起来却大了数倍,这意味着它的真实尺寸可能大得吓人。

  在真实世界,这种情况很难发生。当三颗天体彼此靠近,引力作用使它们形成著名的“三体”情形。除非采取某些特殊的构型,否则三颗天体的运动极难稳定下去。要么互相吸引而撞毁,要么速度过高而逃逸。况且,这个行星系统的恒星还在拉着它们绕转——这是个四方引力都不可忽略的混沌“四体”系统。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 三体运动轨道实例 / Research Gate

  从影片中看起来,沙丘星球的月亮大小和我们的相似。但其实,地球的月亮是个罕见的异类——她实在太大了,相当于行星尺寸的三成,太阳系中再无如此夸张的比例。一项2011年的研究显示,根据卫星形成的计算机模拟,类地行星的卫星半径要想超过月球一半,概率只有百分之个位数。

  如此庞大的月球,引力作用也十分显著。引力与质量成正比,而月球的质量足足相当于地球的1/81。在太阳系其它行星那里,卫星质量只有行星的万分之几。例如拥有数十颗卫星的木星,最大的卫星不过占它质量的十万分之八。这群“后宫佳丽”个个“人微言轻”,所以才得以和平共处。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 木星的几个主要卫星 / EarthSky

  基于这个原因,我们的地球只有一轮孤月,其实是命中注定:这位强大的女神实在善妒。主流的理论认为,月球甫一形成,便吸引扫除了近地小天体,要么就通过引力把它们甩了出去。有研究认为,远古时期曾经有另一颗小月亮与她并行,但已经被月亮吸引,缓慢地碰撞、吞并。

  那颗被吞并的月亮,尺寸大约是现在月亮的四分之一,这个比例和我们在电影中看到的大小月亮很相似。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  月球碰撞想象图 / C&EN

  在沙丘世界,科勒伦或许更小;要同样显眼,就得离地面更近,受引力的扰动更强。也许,沙丘星球的天象只能稳定很短的时间。倘若人类在这个星球上长期繁衍,或许会目击“天无二月”,甚至因碰撞产生的碎片而遭到灭顶之灾。

  

  《沙丘》成书于1965年,彼时“新浪潮(New Wave)”运动正此起彼伏。不同于之前那种连载在杂志上、粗枝大叶的快消剧情,复杂的社会环境下,科幻作家们开始强调作品文学价值。科幻小说首先是“小说”,艺术感染力比科学预测准确与否更重要。现代主义风格也开始融入科幻小说——超现实、潜意识、神秘主义、形而上学……宗教与崇拜,成为组成世界不可或缺的元素。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 几个不同地区的月亮传说 / Guerrilla World Press

  现实世界里,几千年来,各地人们形成了复杂的月亮神话。月亮中的阴影被想像成各种样子:兔子、树木、房子、面孔……在沙丘世界里,大月亮上的阴影被称为“上帝之手”,是当地人重要的图腾。在印度教传说中,月中阴影也是万物之母阿丝坦吉·玛塔(Astangi Mata)的手。她拥抱月亮女儿,在脸颊上留下两只深色掌印。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  月亮上的掌印想象图 / NASA

  人类的神话基于一个前提,便是我们一直看到的是同一面月亮。倘若月亮在天上旋转,露出不同的侧面,变化的图案便很难附会成一套固定的故事。

  在我们的地球上,月亮唤起潮汐。她的引力牵引着波涛,让最靠近和最远离她的水体涨起。与此同时,这部分水体的引力也在牵拉着月亮,使其轨道不断变化。逐渐地,月亮的自转周期和公转周期趋向于相同;此后,她将永远以同一面朝向地球,在地面上只能看到她的半张面孔。这个过程称为“潮汐锁定”

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑潮汐锁定原理示意图 / 2005 Pearson Prentice Hall, Inc

  我们的月亮早已被潮汐锁定,所以我们看到的永远是“月之亮面”。如此看来,载满故事的沙丘大月亮,应当也已经与行星共存过了很长的时间。再考虑到它与小月亮的共存状态不稳定,看来,天文年代上来说,小月亮是刚飞进这个系统不久的“第三者”。 

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑

  虽然沙丘星球上没有海洋,但沙丘保护的地下水,也会产生呼应着月球运动的潮汐。另外,同样是流体的大气,也会因月球引力产生“气体潮”的涨落。

  地壳也会被月亮牵引,产生涨落,称作“固体潮”。电影中,潜藏在沙丘中的巨大沙虫,鳞甲能敏锐地感知沙体震动。两个月亮牵动的不规则地壳运动,或许经常让沙漠震颤,令它们震耳欲聋。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑《沙丘》中的沙虫 / 剧照

  

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑  月海 / Wikipedia

  月亮上的黑暗阴影,如今被称为“月海”。当然,它和真正的海没有关系,是远古时,月球被撞击后流出岩浆,在低洼处凝结成暗色玄武岩。月球现在看起来平静,但月海的存在证明,至少在数十亿年前,她也曾经炽热过。

  而在沙丘世界,月亮似乎也不曾冷却。

  按照影片所述,沙丘星球的卫星受到月亮磁场的强烈干扰。而目前主流理论认为,星球带有磁场,是因为内部导电的流体物质(例如地球外核中熔融的金属)对流,在科里奥利力的作用下旋转,产生了感应磁场。因为这个过程和发电机类似,因此称为“发电机原理”

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑地球磁场成因示意图 / Pinterest

  所以,沙丘的月亮内部应当有类似于地球外核的巨大熔融区。在行星引力的作用下,月表会发生地质活动,甚至可能是大规模的火山爆发。那样的话,即便是月亮的暗面,也会出现赤红的火光斑纹。那将是一幅多么奇诡的画面。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 月球内部结构示意图 / Wikipedia

  月球内部结构示意图 / Wikipedia

  不过,在电影故事发生的日子里,两个月亮几乎都是满月。它们彼此靠近,宁静地放出和谐的光。

  由于月亮反射的是太阳的光,所以它发光的那一面永远指向太阳。当月相是满月时,它必然处在天空中和太阳相对的一侧。夜观月亮,就像白天看太阳一样,同样可以判断时间:满月升起,夕阳落下;朝阳升起,满月落下。

  在影片中,月表的光影对应制作得非常准确。一瞥低垂的满月,当地人就知道:天将破晓,烈日炎炎又快来到。

《沙丘》之上,双月升起 | 科幻史诗背后的科学逻辑 1984年电影《沙丘》海报,相距如此远的双满月是不可能出现的 / IMDB

  最后,请注意一点:在解读《沙丘》背后的科学逻辑时,我们一直没有用到画面以外的内容。也就是说,几乎仅仅靠站在大地上双眼所见的一切,我们就判断出了行星的亮度、月亮的年龄、沙暴的成因……

  在真实的地球上,我们也可以欣赏同样的美景。几千年前的古人使用肉眼和手工器具,就能相当准确地测量出地球、月球的半径,甚至太阳的距离;能够预测日月交食的时间,潮汐的变化;能够判断恒星的轨迹,行星逆行的周期……这一切如此自然,又像个奇迹

  理解天文,也许不需要高科技的仪器、外太空的飞船。仅仅双脚站在大地之上,就能凭思维的运转,洞察许多宇宙的秘密。环顾四周,欣赏我们的大自然吧,正如《沙丘》中一首小诗所言:

  你生命的意义是什么?

  如果你邻大自然而居,它是否隐藏在——

  一棵亭亭的树里,

  一群忙碌的工蜂里,

  一朵盛放的花里,

  刺穿黎明黑暗的太阳里?

  抑或你居于都市?

  想象力惊艳众人,思绪却集中于——

  苦力、煤烟和污垢,

  犯罪为生的年轻人,

  漫长的工时与发薪日

  快活一时的夜生活?

  你不过是伟大磨坊主遗落的谷糠吗?

  还是无论居于何处,你的生活都有意义?

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月6日 am2:27。
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