【2022年度“科普中國(guó)青年之星創(chuàng)作大賽”】人類第一部科幻電影中的科學(xué)分析

【摘要】1902年，梅里埃導(dǎo)演的《月球旅行記》上映，開啟了科幻電影世界的大門。如今，百年歲月已過(guò)，人們是否如同電影一般登陸月球呢？讓我們跟隨文章，一起開始月球之旅。

今年暑期檔，沈騰的《獨(dú)行月球》火爆全院線。優(yōu)秀的劇情和特效，讓其成為了繼《流浪地球》之后的第二部科幻爆款電影，激起了人們一輪又一輪的討論?？苹秒娪埃詮恼Q生以來(lái)，就是抒發(fā)人類想象力的平臺(tái)，而其始祖，追根溯源是1902年喬治·梅里愛指導(dǎo)的《月球旅行記》。雖然從現(xiàn)代的眼光來(lái)看，《月球旅行記》拍攝粗糙，手法也不高明，但是作為科幻片的開山之作，《月球旅行記》為后世提供許多新穎的題材和暢想，在科學(xué)性方面，更是將宏偉的人類登月計(jì)劃預(yù)演了一遍。

一、登月的方式

在影片的開始，喬治·梅里愛主要講述了這樣一個(gè)故事：天文學(xué)院院長(zhǎng)在會(huì)議上提出來(lái)要用一門大炮將人類送上月球。這個(gè)問題立刻一石激起千層浪，引起了所有在場(chǎng)人員的親切討論（親密的肢體接觸）。最終，院長(zhǎng)和他的幾個(gè)支持者參加了這個(gè)瘋狂的計(jì)劃，并且打造了登月大炮。在110年前的1902年，這個(gè)設(shè)想是非常超前的，因?yàn)橐荒暌院笕祟惒虐l(fā)明出了飛機(jī)；而齊奧爾科夫斯基還尚未發(fā)布他的火箭公式；距離愛因斯坦奇跡年還有3年。直到1969年，人類才第一次登陸月球，只不過(guò)，人類并沒有采用大炮登月的形式，而是使用化學(xué)能火箭。

要登陸月球，首先就要飛出地球。那么，飛出地球的速度是多少呢？根據(jù)齊奧爾科夫斯基的多級(jí)火箭公式，我們現(xiàn)在知道飛出地球需要達(dá)到7.9公里/秒的速度。在1902年，這個(gè)速度可謂是天文數(shù)字，幾乎沒有任何物體能夠達(dá)到第一宇宙速度，除了以火藥為動(dòng)力的炮彈。因而，在影片之中，喬治梅里埃也采用了這一創(chuàng)想。不過(guò)，火炮登月的創(chuàng)想雖然很新穎，但是卻并不能真正幫助人類登陸月球，主要原因就是慣性的作用。舉例來(lái)說(shuō)，在平穩(wěn)加速的公交車上，乘客可能感覺不到車子正在運(yùn)行，但是，當(dāng)車子突然急剎車的時(shí)候，人們就會(huì)往前沖，這就是慣性的作用，也就是牛頓第一定律。同理，在炮彈里的人也一樣，當(dāng)炮膛里的火藥被點(diǎn)燃后，炮彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。這個(gè)時(shí)候，慣性如同一個(gè)險(xiǎn)惡的拳擊手，狠狠地作用在成員身上，最終殺死成員。因此，要真正登陸月球，人們還要采用更加穩(wěn)妥的加速方式。

既然人類無(wú)法讓承受瞬時(shí)的加速度，那么，如果把速度分時(shí)間加上的話，那么情況是不是會(huì)好很多呢？于是，火箭應(yīng)運(yùn)而生了。相比較于炮彈，火箭的加速更加平穩(wěn)，于是更加能適合載人航天的需要。在1969年，阿波羅11號(hào)的成員們就是坐著有馮·布勞恩設(shè)計(jì)的土星五號(hào)火箭升上太空登陸月球的。土星五號(hào)是一個(gè)龐然大物，它擁有著110.6米的高度，10.1米的直徑，發(fā)射質(zhì)量3039噸。這是什么概念呢？作為對(duì)比，美國(guó)在40年代制造的驅(qū)逐艦巴格里號(hào)，它的滿載排水量也就1500噸，土星五號(hào)的發(fā)射質(zhì)量相當(dāng)于兩艘驅(qū)逐艦的質(zhì)量！而阿波羅飛船就在土星五號(hào)的頂端，在火箭點(diǎn)火后的8分鐘后，利用齊奧爾科夫斯基提出的多級(jí)火箭公式，巨大的火箭就能帶著成員們飛出地球的大氣層，克服地球的引力，進(jìn)入奔向月球的征程。

二、月球人與月球生命？

在影片之中，當(dāng)天文學(xué)家們進(jìn)入炮彈后，隨著一聲巨響，炮彈帶著天文學(xué)家們沖出了地球家園，在很短的時(shí)間內(nèi)，一頭扎向了月球松軟的土地。由于突如其來(lái)的襲擊，甚至月球自己（擬人化）還沒反應(yīng)過(guò)來(lái)，被戳中了一只眼睛，這也是本片海報(bào)的由來(lái)，也成為了電影歷史上的經(jīng)典一幕。在登陸月球之后，天文學(xué)家們感受到了月球的天氣變化，呼吸了月球的大氣，甚至還休息了一會(huì)，之后見到了月球下雪和奇特的月球植物，還遇見了月球人，發(fā)生了很多有趣的事情。那么，月球上是否真的存在著生命呢，它的表面究竟是一種怎么樣的光景呢？

早在人類登月之前，1966年2月，蘇聯(lián)人發(fā)射的月球9號(hào)探測(cè)器成功軟著陸月球，并且用它的攝像頭拍攝了人類歷史上第一幅近距離的月球地表照片。月球9號(hào)的成功著陸代表了月球表面并非松軟的流沙，而是堅(jiān)固的，人類可以在上面登陸行走，但是傳回的照片同時(shí)也顯示月球表面十分的荒涼，只有無(wú)盡的砂石反射著陽(yáng)光。隨著探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，如今，人類對(duì)于月球已經(jīng)十分了解。作為直徑只有地球1/4（1737.10KM），質(zhì)量只有地球1/81（7.3477*10^22kg）的天然衛(wèi)星，月球并不存在液態(tài)水和空氣，更別提月球人和月球植物了。

不過(guò)，盡管月球表面的條件是如此的惡劣，但是面對(duì)首次從月球回來(lái)的人類，人們依舊采用了嚴(yán)格的隔離措施，防止可能的月球微生物侵入地球。在地球上，我們就擁有著能夠在極端條件下生存的生物，例如水熊蟲。這種生物生命力頑強(qiáng)。最顯著的特征是對(duì)不良環(huán)境具有極強(qiáng)的忍耐能力，在干旱時(shí)，它們可將身體含水量由正常的85%降至3%，此時(shí)運(yùn)動(dòng)停止，身體萎縮。這種狀態(tài)下，緩步動(dòng)物可以抵御惡劣的環(huán)境達(dá)數(shù)年之久，如極限溫度、電離輻射、缺氧等，當(dāng)環(huán)境好轉(zhuǎn)時(shí)，身體再?gòu)?fù)蘇，這種現(xiàn)象稱隱生。因此，為了確保絕對(duì)的安全，即便是風(fēng)光無(wú)兩的登月宇航員也只能在隔離艙里和尼克松總統(tǒng)對(duì)話。不過(guò)隨著人類對(duì)于月球的認(rèn)識(shí)不斷加深，我們最終沒有在月球上發(fā)現(xiàn)任何生命的蹤跡，在阿波羅14號(hào)之后，人們就不再對(duì)登月宇航員進(jìn)行隔離了。

三、重返地球和月球特產(chǎn)

在影片的最后，天文學(xué)家們擺脫了月球人的追擊，最終成功的在懸崖上利用地球的“重力”返回到了地球之上，降落在了大海之中，還成功帶回來(lái)一個(gè)月球人，隨后，這群天文學(xué)家們受到了英雄一般的歡迎。如此天馬行空的想象讓現(xiàn)在的人們驚嘆不已，尤其是導(dǎo)演選擇將登月炮彈降落在大海之中，幾乎預(yù)演了阿波羅計(jì)劃的降落過(guò)程。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)中從月球返回的過(guò)程并不是像電影中所表現(xiàn)的那么簡(jiǎn)單，作為一個(gè)系統(tǒng)性的工程，返回時(shí)的難度不亞于登月過(guò)程中的每一個(gè)步驟。

2020年11月24日，我國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭搭載著嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射，這也是我國(guó)第一次月球采樣任務(wù)，也是月球探測(cè)計(jì)“繞落回”計(jì)劃中最后的一步計(jì)劃。經(jīng)過(guò)23天的長(zhǎng)途跋涉，最終返回器在12月17日成功著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)訂區(qū)域。而在嫦娥五號(hào)返回的時(shí)候，就遇到了一個(gè)比較棘手的問題，那就是返回時(shí)速度太快，甚至超過(guò)的第二宇宙速度（10.9千米/秒），直接降落的話可能導(dǎo)致飛船燒毀，又或者是大大增加熱防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)重量。因此，我國(guó)的科學(xué)家們創(chuàng)新的采用半彈道跳躍的降落返回方式，仿佛打水漂一般，利用地球大氣進(jìn)行減速，最終釋放降落傘成功降落。

雖然現(xiàn)實(shí)生活中并沒有月球人可以帶回來(lái)，但是我們的探測(cè)器和飛船卻帶回了很多月球特產(chǎn)——月壤與月球巖石，其中，我國(guó)通過(guò)嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器獲得了1731克的月壤。這些月球上特有的土壤存在著許多天然元素和礦物顆粒，如鐵、金、銀、鉛、鋅等，結(jié)構(gòu)松散。地球土壤的形成結(jié)果不同，月壤的物理性質(zhì)主要是玄武巖和斜長(zhǎng)巖物理崩解的結(jié)果，這是多年來(lái)持續(xù)的流星撞擊和太陽(yáng)及星際帶電粒子轟擊所造成的，是一種物理風(fēng)化作用。通過(guò)研究月壤，我們不僅能夠了解月球的組成成分，在未來(lái)還能利用月壤的性質(zhì)，利用本地材料去建造月球建筑，為月球基地的建造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著人群的歡呼聲，電影在登月結(jié)束后就落幕了。梅里埃用剪輯特效為科幻電影打開了新世界的大門，天馬行空的想象，既預(yù)演了人類登月的史詩(shī)，又抒發(fā)了人類對(duì)于地外世界和地外生命的思考。在這部電影發(fā)布110年后的今天。人類通過(guò)阿波羅計(jì)劃、月球計(jì)劃和嫦娥計(jì)劃，已經(jīng)對(duì)月球有了一個(gè)詳細(xì)的了解。盡管月球沒有《月球旅行記》中所描繪的擁有大氣、水和生命，但是，月球卻是我們探索宇宙的第一站，還將為人類探索火星的使命奠定基礎(chǔ)。這一次，我們不僅要插上旗幟、留下腳?。徊粌H要派出月球探測(cè)器和月球車；不僅要取回月球的土壤，還要將自己的足跡踏遍星空，最終踏平坎坷，直取蒼穹！