科學(xué)眼觀科幻片——超時(shí)空接觸

傅煜銘

電影回放

艾連諾·艾莉·愛洛維從小對(duì)科學(xué)充滿興趣，在父親的引導(dǎo)下她逐漸認(rèn)識(shí)宇宙，并成為一名無線電愛好者。艾莉在博士畢業(yè)后放棄了哈佛大學(xué)的教職，選擇到阿雷西博天文臺(tái)進(jìn)行地外文明探索（ SETI）項(xiàng)目的研究。然而，追求實(shí)用主義的政府停止了對(duì)SETI項(xiàng)目的資助，艾莉只好轉(zhuǎn)而尋求私人資助，在甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列（VLA，簡(jiǎn)稱甚大陣）繼續(xù)研究。艾莉使用甚大陣探測(cè)到來自織女星位置的射電信號(hào)，并從中解讀出外星文明發(fā)給人類的信息。根據(jù)這些信息的指引，人類建造出一臺(tái)巨型機(jī)器。乘上這臺(tái)機(jī)器的艾莉?qū)?huì)被帶向哪里？人類的未來又將何去何從？

電影《超時(shí)空接觸》由羅伯特·澤米基斯執(zhí)導(dǎo)，故事根據(jù)著名天文學(xué)家、科普作家卡爾·薩根的同名小說《接觸》改編?？枴に_根在電影制作期間逝世，但在去世前一直堅(jiān)持為拍攝提供幫助。這部電影被認(rèn)為是科學(xué)與電影藝術(shù)結(jié)合的典范。電影中的很多科學(xué)事實(shí)和科學(xué)幻想，都值得細(xì)細(xì)品讀：而電影中呈現(xiàn)的科學(xué)與宗教的論戰(zhàn)，更是引人深思。

電波中的天文學(xué)

電影《超時(shí)空接觸》的主人公艾莉是一位射電天文學(xué)家。在漢語(yǔ)中，“射電”一詞專門用于天文學(xué)領(lǐng)域，和“無線電”同義。天文學(xué)有很多分支，其中用無線電波段觀測(cè)、研究天體和其他宇宙物質(zhì)的分支學(xué)科被稱為射電天文學(xué)。無線電波和人眼可見的可見光，其實(shí)都屬于電磁波，只是二者波長(zhǎng)范圍不同。電磁波按照波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)的順序，可以依次被分類為伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電幾個(gè)波段。電磁波的波長(zhǎng)越短，能量越高。

在整個(gè)電磁波譜中，可見光只占了很小一段波長(zhǎng)范圍。我們現(xiàn)在知道，宇宙中的天體在電磁波的不同波段都可能有輻射，只是不同天體輻射的電磁波能量集中的波段不同。英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在1865年預(yù)言了電磁波的存在，而后德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲在1887年至1888年間通過實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。麥克斯韋曾推論，光也是一種電磁波。在這之后，許多科學(xué)家都猜測(cè)太陽(yáng)可能存在無線電波段的輻射，托馬斯·愛迪生、奧利弗·洛奇等人先后嘗試探測(cè)過太陽(yáng)的無線電輻射，但都以失敗告終。20世紀(jì)30年代，美國(guó)貝爾電話公司的工程師卡爾·央斯基使用自己建造的天線排查越洋無線電話在短波上受到的靜電干擾時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了來自銀河的無線電輻射，并指出電磁波源位于銀河系中心方向，靠近人馬座A。這一發(fā)現(xiàn)正式開啟了射電天文學(xué)這個(gè)新領(lǐng)域。

“二戰(zhàn)”后，許多雷達(dá)、通信工程師轉(zhuǎn)而從事射電天文學(xué)的研究，取得了很多成就。例如，射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了脈沖星、類星體等新的天體類型，宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)為大爆炸宇宙學(xué)理論提供了重要的觀測(cè)證據(jù)。

和光學(xué)天文學(xué)使用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，射電望遠(yuǎn)鏡其實(shí)是一系列無線電天線。在觀測(cè)的電磁波波長(zhǎng)一定的情況下，望遠(yuǎn)鏡的有效口徑（直徑）越大，分辨能力越強(qiáng)，細(xì)節(jié)越清晰。由于無線電波的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)很多，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑也需要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大很多才能充分發(fā)揮自身的分辨本領(lǐng)。射電望遠(yuǎn)鏡可以分為單天線望遠(yuǎn)鏡和陣列。目前世界上口徑最大的單天線望遠(yuǎn)鏡是位于中國(guó)貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（ FAST），它被公眾稱為“觀天巨眼”。在中國(guó)的“天眼”落成之前，世界上最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡是位于波多黎各的阿雷西博天文臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，這也是電影中艾莉最開始使用的望遠(yuǎn)鏡。

射電望遠(yuǎn)鏡陣列，或者叫射電干涉儀，是利用電磁波的干涉原理，將多臺(tái)單天線射電望遠(yuǎn)鏡組合起來的系統(tǒng)。就像“人多力量大”一樣，組合成陣列的射電望遠(yuǎn)鏡也比單天線射電望遠(yuǎn)鏡分辨率高得多。由此，射電望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)然也可以獲得比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡高很多的分辨能力！

電影中，艾莉在阿雷西博天文臺(tái)的工作被迫終止后，她獲得哈登集團(tuán)的資助來到美國(guó)新墨西哥州的甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列繼續(xù)研究。甚大陣于1981年建成，由27臺(tái)25米口徑的天線組成，所有天線呈“Y”形排列。2012年，甚大陣被重新命名為“央斯基甚大陣”，以紀(jì)念射電天文學(xué)的先驅(qū)卡爾·央斯基。

除了甚大陣，目前主要的射電望遠(yuǎn)鏡陣列還有甚長(zhǎng)基線射電望遠(yuǎn)鏡陣（VLBA）、澳大利亞望遠(yuǎn)鏡致密陣（ ATCA）等。包括中國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家正在建設(shè)跨越大洲、天線總面積達(dá)到平方千米量級(jí)的平方千米射電望遠(yuǎn)鏡陣（SKA），這種射電望遠(yuǎn)鏡將會(huì)成為地球上規(guī)模最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。

探索地外文明

在電影《超時(shí)空接觸》中，主人公艾莉是地外文明探索（SETI）計(jì)劃的一個(gè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。在現(xiàn)實(shí)中，有一項(xiàng)“鳳凰計(jì)劃”和艾莉的項(xiàng)目十分類似。大部分SETI項(xiàng)目的運(yùn)行方式都是全天掃描，以尋找強(qiáng)的無線電信號(hào)。而“鳳凰計(jì)劃”的工作則是針對(duì)太陽(yáng)系附近的恒星系統(tǒng)搜尋無線電信號(hào)，并且重點(diǎn)關(guān)注已知存在行星的系統(tǒng)。2004年，“鳳凰計(jì)劃”宣布，在觀測(cè)了240光年以內(nèi)的800多個(gè)恒星系統(tǒng)后，沒有找到地外文明信號(hào)存在的證據(jù)。

SETI計(jì)劃涉及對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析。早先的SETI項(xiàng)目曾使用望遠(yuǎn)鏡旁專用的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1995年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家大衛(wèi)·吉迪提出可以利用全球聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行分布式計(jì)算，解決數(shù)據(jù)處理的難題。這一技術(shù)獲得了成功。目前，居家尋找地外文明計(jì)劃（SETl@home project）擁有大量的志愿者，人們只需從該計(jì)劃的網(wǎng)站下載相應(yīng)的小程序，就可以在家中尋找地外文明信號(hào)了！

SETI計(jì)劃除了使用阿雷西博天文臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡這樣的單天線望遠(yuǎn)鏡外，還在使用望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)行觀測(cè)。微軟的創(chuàng)始人之一保羅·艾倫資助了SETI研究所和射電天文學(xué)研究所的艾倫望遠(yuǎn)鏡陣（ATA，原名“公頃望遠(yuǎn)鏡”）的建設(shè)。艾倫望遠(yuǎn)鏡陣原計(jì)劃建設(shè)天線350架以上，每臺(tái)直徑為6.1米，現(xiàn)在正在運(yùn)行的艾倫望遠(yuǎn)鏡陣第一階段，共有天線42架。

相比于阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（ FAST）看得更遠(yuǎn)。我們期待著，未來，F(xiàn)AST也能夠加入SETI計(jì)劃，為探索地外文明貢獻(xiàn)中國(guó)力量。盡管SETI計(jì)劃搜尋幾十年沒有任何成果，但是遼遠(yuǎn)而廣闊的宇宙仍舊吸引著很多像艾莉一樣的科學(xué)家不斷探索。

穿越蟲洞之旅

在電影中，人類按照外星文明提供的技術(shù)圖紙建造了一臺(tái)巨型機(jī)器。艾莉等人認(rèn)為這是一種交通工具，但是沒有人清楚這臺(tái)機(jī)器的工作原理。搭載著艾莉的機(jī)器正式啟動(dòng)后，艾莉發(fā)現(xiàn)自己進(jìn)入了一個(gè)隧道般的奇特時(shí)空，通過這個(gè)“隧道”，她穿越到了地外文明所在的織女星四重恒星系統(tǒng)，然后又被傳送到星系一側(cè)，這時(shí)整個(gè)星系的壯麗景象盡收眼底。外星人下載了艾莉的記憶，創(chuàng)造出一個(gè)艾莉曾經(jīng)畫過的場(chǎng)景，并以艾莉已經(jīng)逝世的父親的形象出現(xiàn)在她面前……后來，艾莉結(jié)束18個(gè)小時(shí)的旅程回到了地球。出乎意料的是，所有人都認(rèn)為她從未離開，因?yàn)樵谟^察者看來，艾莉的乘員艙直接穿過機(jī)器中心的空區(qū)掉入了海中。

現(xiàn)實(shí)中，織女星距離地球約25光年，這意味著即使以光速旅行，往返兩地也需要大概50年的時(shí)間。那么艾莉又如何在18個(gè)小時(shí)內(nèi)（或者地球上幾乎不存在的時(shí)間差）完成往返織女星的旅程呢？艾莉和觀察者對(duì)時(shí)間感受的矛盾是否合理？

1985年，已完成小說《接觸》初稿的卡爾·薩根聯(lián)系了他的好朋友——著名物理學(xué)家基普·索恩，請(qǐng)他幫忙查看小說中艾莉進(jìn)行時(shí)空旅行的部分是否合理。在初稿中，艾莉是通過一個(gè)黑洞旅行到織女星的。但是基普·索恩指出，黑洞奇點(diǎn)會(huì)殺死落入其中的人，艾莉的旅行需要的不是黑洞，而是蟲洞。

在講《星球大戰(zhàn)》時(shí)，我們?cè)?jīng)提到過通過蟲洞進(jìn)行時(shí)空旅行的可能性。蟲洞或許可以在第四維空間上搭建起兩個(gè)三維空間之間的橋梁，這樣一來，通過蟲洞在這兩個(gè)三維空間之間的旅行時(shí)間，就取決于蟲洞的長(zhǎng)度，而不是三維空間中兩地的真實(shí)距離。在這種情況下，艾莉旅行到織女星再返回地球，需要一定的時(shí)間（比如18個(gè)小時(shí)）。但是根據(jù)狹義相對(duì)論原理，如果艾莉的乘員艙在三維的蟲洞中高速運(yùn)動(dòng)，那么乘員艙的時(shí)間流速將變得比地球慢，她在乘員艙內(nèi)經(jīng)歷了18個(gè)小時(shí)，相對(duì)于地球上的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。要想讓地球上經(jīng)歷的時(shí)間變短有一個(gè)方法，就是在艾莉出發(fā)時(shí)讓蟲洞出口（織女星）靜止，入口（連同地球在內(nèi)）高速（比如接近光速）運(yùn)動(dòng)起來，并在艾莉返回前回到原位置。如此，時(shí)間流速變慢的地方將是地球（蟲洞入口），而不是艾莉的乘員艙！而在時(shí)間流速不變的織女星人看來，艾莉來自過去。

不過現(xiàn)實(shí)往往沒有那么簡(jiǎn)單。首先，科學(xué)家認(rèn)為蟲洞雖然可能產(chǎn)生于微觀尺度，但是能夠容納人體的蟲洞無法自然產(chǎn)生。其次，物理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蟲洞從產(chǎn)生到消亡的時(shí)間極為短暫，連光都無法在這么短的時(shí)間內(nèi)從蟲洞一端穿越到另一端。為了保持蟲洞穩(wěn)定連通，物理學(xué)家丹尼斯·甘農(nóng)和基普·索恩等提出可以在蟲洞中充填足夠的“奇異物質(zhì)”（具有負(fù)質(zhì)量的物質(zhì)）。當(dāng)然，制造一個(gè)穩(wěn)定的足夠大的蟲洞，現(xiàn)階段只能存在于我們的想象當(dāng)中。

用科學(xué)指引人生

影片中，當(dāng)艾莉?qū)l(fā)現(xiàn)地外文明信號(hào)的消息公之于眾時(shí)，全世界的人們開始恐慌。狂熱的宗教信徒干擾和破壞進(jìn)一步的地外文明探測(cè)計(jì)劃。他們擔(dān)心人類和外星文明的接觸會(huì)動(dòng)搖各種神靈存在的根基。也有些宗教信徒將發(fā)來信息的外星文明視為神靈的存在形式，似乎這樣就可以調(diào)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)與宗教信仰之間的矛盾。

艾莉作為一名科學(xué)家，她不信仰上帝的原因并非她能夠證明上帝不存在，而是我們無法證明上帝存在。這是一種十分理性的、科學(xué)的思維。即使是在她回應(yīng)其他人對(duì)時(shí)空旅行的質(zhì)問時(shí)，她仍然堅(jiān)持這種理性的思維方式：她無法向其他人證明時(shí)空旅行確實(shí)發(fā)生過，盡管她對(duì)自己的經(jīng)歷深信不疑。

我們從艾莉身上看到了卡爾·薩根等當(dāng)代科學(xué)家對(duì)于科學(xué)的理解：科學(xué)是尋找真理的方法，但科學(xué)知識(shí)并不等于真理，只是通過科學(xué)研究，人類對(duì)于事物的認(rèn)識(shí)會(huì)不斷接近真理?？茖W(xué)意味著刨根問底，意味著不盲從、敢于質(zhì)疑?？茖W(xué)不單指科學(xué)知識(shí)，它還包括科學(xué)方法、科學(xué)思維……用科學(xué)指引人生，愿你也能不負(fù)宇宙生命的精彩。