《阿凡达》中的真实科学

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《阿凡达》中的真实科学

作者：齐鸣

来源：《科技视界》 2011年第36期



齐 鸣

詹姆斯·卡梅隆又一次为我们带来了视觉的盛宴，IMAX加上3D使《阿凡达》带来的视觉刺激真的达到了“眩晕”的程度。与以前不同的是，在这部影片中，人类充当了利用高技术暴力掠夺其他星球资源的外星人——导演将人类贪婪欲求与自然生态之间矛盾的思考，搬到了潘多拉星球上。

虽然故事仍然重复着老套的情节，但我们不得不承认，《阿凡达》作为一部科幻片，不禁让人们对2154年的科学技术神往不已：太空飞船载着大量深度冰冻人员在宇宙中长时间飞行、在外星球建立基地、通过神经拟合操控“另一个身体”……更不用提巨型机器人的战争机器、三维声控的模拟设计台。它们全部出自导演的幻想，还是有着真实的科学基础？在看过影片之后，不妨再来细细回味一下其中的细节。

潘多拉星

剧情回顾：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“纳美”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：首先，通过太空望远镜，人类目前已经观测到了几百颗太阳系外行星，可是与地球相似的却非常少。由于距离遥远，观察到行星已经非常不易，要进一步看到绕着行星转的卫星，更是难上加难。所以，在现实宇宙中，科学家尚未有能力发现“潘多拉卫星”的存在。

那么，波吕斐摩斯星可能真实存在吗？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（半人马座阿尔法A星、B星，和比邻星），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1.5米的望远镜进行观测。目前，他们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）。不过，天文学家认为，这反而使那些与地球质量相近的星球存在于这个星系中的可能性增加。

假如“潘多拉”是一颗行星，可能存在么？经过计算，在这两颗恒星之间，的确存在一个“宜居区域”（有液态水，可能拥有适合的温度）。该轨道范围非常靠近半人马A和半人马B。A星比太阳稍大，在距其1.2天文单位（1天文单位约1.5亿公里，缩写为AU）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。科学家正在进行更多的观测，估计最终结果将会在2012年之前揭晓。

反物质飞船


剧情回顾：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：反物质作为一种用于推进的能量来源，是人类已知的最强大的能量反应。美国国家航空航天局的乔治·施密特介绍，物质-反物质相互作用湮灭时释放的能量的确能够作为火箭喷嘴喷出的推进剂，但对于往返“潘多拉星球”这样单程就有26万亿公里、耗时约6年的任务而言，实现起来难度极高。

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，目前反物质的价格大约是600亿美元1微克——如果花费数几十亿美元，建造一个专门制造反物质的设施，可以将成本降低到大约600万美元1微克。但是，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，可能需要数千吨的反物质。星际旅行的成本如此高昂，而他们想从“潘多拉”上获得的超导体元素却只有2亿美元1公斤。

同时，施密特表示，即使采用反物质核聚变引擎也无法产生足够的推力，让飞船以7/10光速飞行。

另一个难点是反物质的储存。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，最好的存储办法也只能将其保存数月之久。将其储存在一个燃料箱中长达数年，这项任务实在太艰巨了。

意念遥控

剧情回顾：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纳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。为了试图与纳美人交流，地球上的资源开发管理总署启动了“阿凡达”计划来创造半人、半纳美混血的生物来担任大使。依靠复杂的接口设备，人类可以通过“心灵感应”来控制这具“阿凡达”身体。让他可以像纳美人一样游历“潘多拉”。

现实科学：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。杜克大学神经学家兼跨国“重新行走项目”首席研究员米格尔-尼克拉里斯认为，《阿凡达》中的装置与他们这个项目正在开发的一种外骨骼十分相似，这种能够让残疾人穿戴的外骨骼可以从主人的思想中接收命令。

目前，这一技术最先进的范本来自该项目在美国北卡罗来纳州的一个实验室。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。现在，科学家正在训练让猴子通过自己的脑电波活动来控制化身。

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。

不过，在《阿凡达》的结尾中，地球人杰克的意识无缝并完美地转换进另一具生物身体，却已远远超出了目前认知的范围。不过，既然借助了圣母树的“神力”，我们也大可不必深究，当作一个美妙的童话来接受吧！


重机械外骨骼战争机器

剧情回顾：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。设备的外部肢体可以随着驾驶室中操作者操作武器和脚的动作做相应的变化——相当于将这些动作放大了一样。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，能够对建筑以及所有的东西进行破坏。

现实科学：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”计划提供大量补助。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，如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”。

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