关于《地心引力》的科学常识

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近日,阿方索·卡隆执导的《地心引力》在中国上映.这部影片不仅在国际上获得了票房上的胜利,同时也获得评论界的一致好评.《地心引力》凭借惊险刺激的场面和逼真的特技效果给观众带来视觉和心灵的双重震撼.

与此同时,在客观条件和情况允许的前提下,影片中涉及的场景和科学元素也尽可能地追求真实性,例如国际空间站的内部景象以及“联盟”号飞船和“神舟”飞船等.不过也有科学家指出,《地心引力》科学硬伤着实不少.

意外是如何产生的

《地心引力》中故事发生的时间距离现在并不遥远.影片的故事背景为最后一次哈勃望远镜维修任务.影片中,俄罗斯摧毁了本国的一颗间谍卫星,就此引发连锁反应并酿成灾难.

这一故事起源的灵感就来自于“凯斯勒综合征”.1978年,美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒首次提出一项理论：地球周围太空的物体（卫星和各种太空垃圾）密集度已经达到令人担忧的程度.由于轨道中的物体飞行速度极快,如果一颗卫星偏离轨道或者遭到一颗流星的撞击,这种事故将产生连锁反应,进而有大量卫星被毁,变成太空垃圾,对国际空间站等航天器的安全构成威胁.这一理论被命名为“凯斯勒综合症”.

凯斯勒担心巨大的撞击会加速这一过程,破坏绝大多数通讯卫星,所形成的碎片带让人类在长达几十年时间里无法向太空发射任何新的无人或者载人航天器.在影片《火星人玩转地球》中,皮尔斯·布鲁斯南饰演的唐纳德·凯斯勒教授的原型就是这位宇航局科学家.

太空灾难真的会发生吗

那么,如同电影中一样的太空灾难会在现实中发生吗?

虽然被太空碎片撞击的可能性很低,但并不代表没有这种可能性.美国的太空司令部一直对大大小小的太空垃圾进行监测.一旦飞入国际空间站或者航天飞机的轨道,太空垃圾便可能对它们的安全构成威胁.

如果预见到可能有这种情况发生,他们便会让空间站和航天飞机稍微偏离轨道,避开太空碎片.然而《地心引力》的科学顾问凯文·格雷泽也指出,一旦航天飞机遭受到像电影中那样强度很大的撞击而进入旋转状态,就根本无法阻止其继续旋转.即使努力尝试,反应控制系统推进器的燃料也会在旋转停止之前耗光.

实际上,类似这样的灾难不仅仅是科幻影片中的一个情节,在现实中也可能出现.2007年1月,中国从地面发射一枚导弹,摧毁了自己的一颗报废的气象卫星,同时形成数千块高尔夫球大小或者更大的碎片,足以破坏沿途的任何物体.当时,一些碎片在国际空间站附近飞过.2013年初,俄罗斯的一颗小卫星被太空垃圾撞成重伤.美国媒体报道称,肇事者是中国2007年进行反卫星试验时产生的卫星碎片.

从这些角度上来说,影片呈现的灾难具有一定可信度.

与现实不符的“便利”

在影片中的情况下,真的能够化险为夷吗?

科幻影片总是需要制造各种吸引观众的桥段.《地心引力》毕竟是一个虚构的故事,虽然有科学的一面,但是也有很多情节不符合科学常识,而观众显然也不会对如此用心的一部影片过于苛求.

影片为了故事的顺利展开为两位主角的求生之路提供了各种与现实不符的“便利”,而实际上,如果没有这样的安排,那么这部影片恐怕就会讲述一个过程和结局都会完全不同的故事了.

例如,马特·科沃斯基（乔治·克鲁尼饰演）穿着的太空喷气背包在影片中起着重要的作用.在碎片击中“探险者”号航天飞机后,赖安·斯通（桑德拉·布洛克饰演）被抛入太空,科沃斯基依靠太空喷气背包将她带回航天飞机.太空喷气背包确实存在,被称为“载人机动装置”,但这种装置并不适用于绝大多数任务,早在30年前就已经退役.更重要的是,太空很大,即便穿上氮气推进的喷气背包,科沃斯基也很难营救斯通,更不用说前往另一艘航天器.何况在事故发生前,他已经耗费了背包的很多燃料,这就进一步降低了成功的可能性.

此外,影片中科沃斯基和斯通从严重受损的“探险者”号前往国际空间站.在此之后,斯通又一个人从空间站前往“天宫一号”.如果完成这样的旅程,宇航员需要借助不同的航天器充当“垫脚石”,整个过程非常复杂并且风险极高,这是一项不可能完成的任务.

另一个例子是斯通钻进“神舟”飞船返回舱后设法了解返回舱如何工作,而后重返地球大气层.整个过程中,返回舱疯狂旋转翻滚.实际上,重返地球大气层并不像影片描述的那么简单,而是一个非常复杂的过程,潜在的危险性与发射不相上下.很多宇航员在返回途中因为微小的故障遇难.片中,斯通乘坐的返回舱失去控制,而她甚至没有调整重返角度.如果角度过浅,她会飞回太空,太深的话,便会被高温烧死.

当然,为了情节的起伏,编剧也在影片中刻意制造了一定的“不便利”.影片中碎片袭击导致地球上空230英里的任何航天器的卫星通讯中断,实际上,通讯卫星的轨道高度是230英里这一高度的100倍,不可能出现通讯中断的情况.

地心引力里的科学错误

著名的天体物理学家奈尔·德葛拉司·泰森（Neil deGrasse Tyson）在推特上列举了数个《地心引力》中的明显错误.

片名应为零引力

《地心引力》的英文版称为《Grity》,可以翻译成引力,显示出地球轨道上的物体需要受到地球引力的作用,而影片中的情节无不体现出零重力环境下的物体行为,比如宇航员可以“漂浮”在空间站中,因此片名改成《零引力》可能会更好一些.

空间站和哈勃高度错误

影片中最大的剧情问题就是宇航员从国际空间站直接飞向哈勃望远镜,两者的轨道高度是不一样的.国际空间站的轨道高度为350公里左右,而哈勃空间望远镜则达到589公里左右,在国际空间站、哈勃望远镜建立联系,需要轨道飞船进行数次变轨机动.

宇航员长发没有漂浮

布洛克在空间站内的头发为什么是耷拉着,在零重力环境下的头发应该是漂浮状态的,现实情况中,国际空间站上的宇航员如果留长头发而且没有扎起来的话,应该是四处飘散的.

医学博士维修哈勃望远镜?

桑德拉·布洛克在影片中的角色是医学博士,而她却参与了维修哈勃望远镜的任务.实际情况中,哈勃望远镜的维修和维护任务都派遣了任务专家组成维修小组,每个成员负责哈勃望远镜的某个特定部位的维修任务,他们在地面上已经演练了无数次.

卫星碎片飞行方向错误

轨道上出现卫星等航天器事故是正常的事件,发生轨道碰撞或者爆炸后,会形成无数的碎片,但是影片中的卫星碎片几乎都是自东向西运动,这与现实情况也不符合,因为发射卫星时都是向东发射,利用地球自转减少发射卫星的燃料消耗,这也是为什么航天发射场修建在纬度低的地方更好.

通信卫星轨道高度太低

影片开头,一颗通信卫星发生了爆炸,然后释放出无数个碎片,现实情况是通信卫星的轨道高度远远超过几百公里,通常使用静止轨道,也就是说其轨道高度接近3.6万公里.

卫星爆炸威力太小

影片中的宇航员在舱外活动时遇到卫星爆炸事故的袭击,事实上如此密集的空间碎片足以让这些宇航员丧命,仅仅一个油漆碎片在轨道上的能量不亚于一颗,何况是爆炸后拥有一定初速度的碎片,那些碎片不仅速度快,而且块头大,也很密集.