科學眼觀科幻片——超時空接觸

傅煜銘

電影回放

艾連諾·艾莉·愛洛維從小對科學充滿興趣，在父親的引導下她逐漸認識宇宙，并成為一名無線電愛好者。艾莉在博士畢業(yè)后放棄了哈佛大學的教職，選擇到阿雷西博天文臺進行地外文明探索（ SETI）項目的研究。然而，追求實用主義的政府停止了對SETI項目的資助，艾莉只好轉而尋求私人資助，在甚大射電望遠鏡陣列（VLA，簡稱甚大陣）繼續(xù)研究。艾莉使用甚大陣探測到來自織女星位置的射電信號，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，人類建造出一臺巨型機器。乘上這臺機器的艾莉將會被帶向哪里？人類的未來又將何去何從？

電影《超時空接觸》由羅伯特·澤米基斯執(zhí)導，故事根據(jù)著名天文學家、科普作家卡爾·薩根的同名小說《接觸》改編。卡爾·薩根在電影制作期間逝世，但在去世前一直堅持為拍攝提供幫助。這部電影被認為是科學與電影藝術結合的典范。電影中的很多科學事實和科學幻想，都值得細細品讀：而電影中呈現(xiàn)的科學與宗教的論戰(zhàn)，更是引人深思。

電波中的天文學

電影《超時空接觸》的主人公艾莉是一位射電天文學家。在漢語中，“射電”一詞專門用于天文學領域，和“無線電”同義。天文學有很多分支，其中用無線電波段觀測、研究天體和其他宇宙物質的分支學科被稱為射電天文學。無線電波和人眼可見的可見光，其實都屬于電磁波，只是二者波長范圍不同。電磁波按照波長從短到長的順序，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、無線電幾個波段。電磁波的波長越短，能量越高。

在整個電磁波譜中，可見光只占了很小一段波長范圍。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。英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋在1865年預言了電磁波的存在，而后德國物理學家海因里希·赫茲在1887年至1888年間通過實驗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，許多科學家都猜測太陽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過太陽的無線電輻射，但都以失敗告終。20世紀30年代，美國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，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這個新領域。

“二戰(zhàn)”后，許多雷達、通信工程師轉而從事射電天文學的研究，取得了很多成就。例如，射電天文學家發(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)為大爆炸宇宙學理論提供了重要的觀測證據(jù)。

和光學天文學使用的光學望遠鏡不同，射電望遠鏡其實是一系列無線電天線。在觀測的電磁波波長一定的情況下，望遠鏡的有效口徑（直徑）越大，分辨能力越強，細節(jié)越清晰。由于無線電波的波長比可見光長很多，射電望遠鏡的口徑也需要比光學望遠鏡大很多才能充分發(fā)揮自身的分辨本領。射電望遠鏡可以分為單天線望遠鏡和陣列。目前世界上口徑最大的單天線望遠鏡是位于中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（ FAST），它被公眾稱為“觀天巨眼”。在中國的“天眼”落成之前，世界上最大的單天線射電望遠鏡是位于波多黎各的阿雷西博天文臺射電望遠鏡，這也是電影中艾莉最開始使用的望遠鏡。

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

電影中，艾莉在阿雷西博天文臺的工作被迫終止后，她獲得哈登集團的資助來到美國新墨西哥州的甚大射電望遠鏡陣列繼續(xù)研究。甚大陣于1981年建成，由27臺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”，以紀念射電天文學的先驅卡爾·央斯基。

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

探索地外文明

在電影《超時空接觸》中，主人公艾莉是地外文明探索（SETI）計劃的一個項目負責人。在現(xiàn)實中，有一項“鳳凰計劃”和艾莉的項目十分類似。大部分SETI項目的運行方式都是全天掃描，以尋找強的無線電信號。而“鳳凰計劃”的工作則是針對太陽系附近的恒星系統(tǒng)搜尋無線電信號，并且重點關注已知存在行星的系統(tǒng)。2004年，“鳳凰計劃”宣布，在觀測了240光年以內的800多個恒星系統(tǒng)后，沒有找到地外文明信號存在的證據(jù)。

SETI計劃涉及對大量觀測數(shù)據(jù)的分析。早先的SETI項目曾使用望遠鏡旁專用的超級計算機進行數(shù)據(jù)處理。1995年，計算機科學家大衛(wèi)·吉迪提出可以利用全球聯(lián)網(wǎng)的計算機進行分布式計算，解決數(shù)據(jù)處理的難題。這一技術獲得了成功。目前，居家尋找地外文明計劃（SETl@home project）擁有大量的志愿者，人們只需從該計劃的網(wǎng)站下載相應的小程序，就可以在家中尋找地外文明信號了！

SETI計劃除了使用阿雷西博天文臺射電望遠鏡這樣的單天線望遠鏡外，還在使用望遠鏡陣列進行觀測。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研究所的艾倫望遠鏡陣（ATA，原名“公頃望遠鏡”）的建設。艾倫望遠鏡陣原計劃建設天線350架以上，每臺直徑為6.1米，現(xiàn)在正在運行的艾倫望遠鏡陣第一階段，共有天線42架。

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

穿越蟲洞之旅

在電影中，人類按照外星文明提供的技術圖紙建造了一臺巨型機器。艾莉等人認為這是一種交通工具，但是沒有人清楚這臺機器的工作原理。搭載著艾莉的機器正式啟動后，艾莉發(fā)現(xiàn)自己進入了一個隧道般的奇特時空，通過這個“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，這時整個星系的壯麗景象盡收眼底。外星人下載了艾莉的記憶，創(chuàng)造出一個艾莉曾經(jīng)畫過的場景，并以艾莉已經(jīng)逝世的父親的形象出現(xiàn)在她面前……后來，艾莉結束18個小時的旅程回到了地球。出乎意料的是，所有人都認為她從未離開，因為在觀察者看來，艾莉的乘員艙直接穿過機器中心的空區(qū)掉入了海中。

現(xiàn)實中，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年的時間。那么艾莉又如何在18個小時內（或者地球上幾乎不存在的時間差）完成往返織女星的旅程呢？艾莉和觀察者對時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——著名物理學家基普·索恩，請他幫忙查看小說中艾莉進行時空旅行的部分是否合理。在初稿中，艾莉是通過一個黑洞旅行到織女星的。但是基普·索恩指出，黑洞奇點會殺死落入其中的人，艾莉的旅行需要的不是黑洞，而是蟲洞。

在講《星球大戰(zhàn)》時，我們曾經(jīng)提到過通過蟲洞進行時空旅行的可能性。蟲洞或許可以在第四維空間上搭建起兩個三維空間之間的橋梁，這樣一來，通過蟲洞在這兩個三維空間之間的旅行時間，就取決于蟲洞的長度，而不是三維空間中兩地的真實距離。在這種情況下，艾莉旅行到織女星再返回地球，需要一定的時間（比如18個小時）。但是根據(jù)狹義相對論原理，如果艾莉的乘員艙在三維的蟲洞中高速運動，那么乘員艙的時間流速將變得比地球慢，她在乘員艙內經(jīng)歷了18個小時，相對于地球上的時間會更長。要想讓地球上經(jīng)歷的時間變短有一個方法，就是在艾莉出發(fā)時讓蟲洞出口（織女星）靜止，入口（連同地球在內）高速（比如接近光速）運動起來，并在艾莉返回前回到原位置。如此，時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！而在時間流速不變的織女星人看來，艾莉來自過去。

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

用科學指引人生

影片中，當艾莉將發(fā)現(xiàn)地外文明信號的消息公之于眾時，全世界的人們開始恐慌。狂熱的宗教信徒干擾和破壞進一步的地外文明探測計劃。他們擔心人類和外星文明的接觸會動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，似乎這樣就可以調和科學發(fā)現(xiàn)與宗教信仰之間的矛盾。

艾莉作為一名科學家，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、科學的思維。即使是在她回應其他人對時空旅行的質問時，她仍然堅持這種理性的思維方式：她無法向其他人證明時空旅行確實發(fā)生過，盡管她對自己的經(jīng)歷深信不疑。

我們從艾莉身上看到了卡爾·薩根等當代科學家對于科學的理解：科學是尋找真理的方法，但科學知識并不等于真理，只是通過科學研究，人類對于事物的認識會不斷接近真理。科學意味著刨根問底，意味著不盲從、敢于質疑。科學不單指科學知識，它還包括科學方法、科學思維……用科學指引人生，愿你也能不負宇宙生命的精彩。