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沒看過這十部科學電影,別說你有科青魂!

余海峯 David
・2017/01/25 ・5601字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

科幻與科學,有時只差一線。回看人類兩千多年科學進程,很多現在我們認為理所當然的科學理論,都曾是天馬行空的科幻概念。透過現代電影技術,我們能夠看見這些科幻概念在銀幕上細訴它們的故事。然而,電影之中,究竟哪些合乎科學、哪些又是科幻呢?

科學家與演員一樣,由同樣的碳水化合物組成。我認為人類文明的可貴之處,在於有了科學、邏輯以後,仍然保有美麗動人的感情。因此,我以科幻、科學、感情三者互相牽動的程度為基礎,選了十部科幻電影(也有科學史實改編的電影)作簡單介紹,希望不至於嚴重劇透雷到你!

我們孤單嗎?用無線電是否能《接觸未來》?

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「喂?請問是外星人嗎?」圖/IMDb

《接觸未來》(Contact,又譯為《超時空接觸》、《接觸》)改編自已故著名天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996)寫的同名科幻小說。電影講述一位女天文學家尋找外星文明的故事。

雖說是由天文學家所寫的故事,但情節並不偏重科學,你可以在其中找到對科學、政治、宗教、社會、恐怖主義,以及人與人之間感情的描寫。薩根看到接觸天外文明所需要的科學和數學知識,也預測了當人類發現自己在宇宙中並不孤單時,會對我們的社會造成什麼影響。

相對於巨大的宇宙,人類文明只是剛剛起步。薩根在故事之中,放入了作為科學家、作為人類一份子對我們的文明的願景。這些重大議題,值得我們在電影尾聲欣賞華麗的特效時,細細深思。

不過,看過原著小說的話,就會發現電影刪改了很多情節。例如,電影的第一幕使用了光速恆定概念,離地球越遠的地方就只能接收到越早時代發出的電波訊號,不過實際電影畫面上顯示的距離與聲音顯示的年代並不相符。又,電影中的天文學家竟然無視干擾訊號的可能性,在無線電望遠鏡陣列之中使用無線電對講機!據說薩根曾要求導演修改這一幕,但為什麼最後沒有修改就不得而知了。

手牽手,讓我們來趟《2001 太空漫遊》

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這部電影對後世科幻電影有著深遠影響。圖/IMDb

《2001 太空漫遊》(2001: A Space Odyssey)是上世紀三大科幻小說大師亞瑟.克拉克(Arthur Clarke, 1917 – 2008)的經典著作。電影改編版本使這個故事更廣泛為人認識,而電影本身亦成為經典之作。

電影開始時,一塊石板於三百萬年前教會了人類祖先使用工具。轉眼來到 2001 年,一艘太空船載著五個船員向木星進發。船上的人工智能電腦叫做 HAL 9000,它接到兩道必須執行、但內容卻相互矛盾的指令,它的邏輯下得出的結論是——必須殺死船上所有人。讓我印象深刻的是電影中,描寫電腦害怕「死亡」——關機——的一幕,這裡就不多說,請大家自己去看電影囉!

《2001 太空漫遊》被譽為史上最合乎科學的科幻電影。例如當主角進入沒有空氣的太空時,電影的所有配音都會突然消失;在月球上聯絡地球會有時間延遲;環狀且會自轉的太空船,符合以向心力製造人工重力的物理原理。這一切差不多都成為了日後科幻電影的標準設計。

有趣的是,據說 HAL 的名字是 IBM 的字母變體,而克拉克極力否認這一點,更在其續作小說中寫入這個陰謀論。總之,無論你是科學、科幻或電影迷,你都必不可錯過《2001 太空漫遊》。

「休士頓,我們有麻煩了!」──快來拯救阿波羅 13 號

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帥哥飛行員,不救嗎?圖/IMDb

《阿波羅 13 號》(Apollo 13,又譯為《太陽神 13 號》)是根據美國太空總署載人太空任務的史實所拍攝的電影。阿波羅 13 號是美國阿波羅計劃的第三次載人登月任務,載有三名太空人。任務中,太空艙在準備登陸月球前,氧氣罐不幸發生爆炸,太空艙的電力和氧氣量快速下降,任務被迫中斷,折返地球。

由電影前段太空人的一句「休士頓,我們有麻煩了」開始,電影幾乎完美地重現太空人和地球上的休士頓控制中心,合力解決阿波羅 13 號緊急折返所遇到的技術困難,堪稱一部科學紀綠電影。三名太空人必須拋棄控制艙,使用原本用來登月的登月艙,利用月球的引力助推飛回地球。

電影描述了休士頓控制中心使用後備模組,在登月艙裡現場製造出過濾二氧化碳的臨時裝置,若無此裝置,三名太空人將因二氧化碳中毒而死。由於登月艙並非設計用於降落在擁有大氣層的地球,必須準確計算登月艙的返回時機,如果飛行方向和速度稍有不妥,太空人不是被返回大氣時產生的高溫燒成灰燼,就是被地球引力拋向宇宙深處。

值得我們留意的是,除了一向被大眾媒體廣泛報導的太空人之外,電影亦描述了地面控制中心的技術人員如何分秒必爭地拯救阿波羅 13 號。

用瘋狂又理智的雙眼,看見《美麗境界》

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用瘋狂的理智去看見數學的美好吧!圖/IMDb

《美麗境界》(A Beautiful Mind,又譯為《有你終身美麗》、《美麗心靈》)講的是諾貝爾經濟學獎得主、數學家約翰.奈許(John Nash, 1928 – 2015)的故事。奈許在 1950 年提出博弈論的一個重要理論,因而在 1994 年獲頒諾貝爾經濟學獎。這一成就是經濟學的一大突破,現被稱為「奈許均衡」(Nash equilibrium)。

電影對奈許均衡理論著墨很少,只嘗試在其中一幕以例子去解釋,在我看來這嘗試是失敗的。如同很多關於科學家的電影一樣,本片主要描述奈許生平。奈許患有思覺失調,這無疑對他還是他的妻子亦是一個沉重打擊。電影之中描述了奈許妻子在他患病時不離不棄,不過奈許曾經表示電影劇本與他的真實人生並不一致。儘管如此,各位能從本片看到精神病患與他們家人所承受的巨大壓力。

奈許均衡理論對博弈論發展影響非常之深,應用於非常多科學分支,包括演化生物學和人工智慧研究。奈許在 2015 年獲頒阿貝爾獎,夫婦倆不幸在領獎回家途中發生車禍雙亡。然而他的貢獻,將會連同他的名字一起,永垂青史。

《天才無限家》:數學,是邏輯、也是直覺

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電影描述了拉馬努金與哈代之間的友誼與磨擦。圖/IMDb

《天才無限家》(The Man Who Knew Infinity,又譯為《數造傳奇》)講述天才數學家拉馬努金(Srīṉivāsa Rāmāṉujan Aiyaṅkār, 1887 – 1920)的生平。拉馬努金沒有受過高等教育,習慣以直覺代替嚴謹證明,而他的直覺結果大部分都能被證明是正確的。

數學家哈代(Godfrey Harold Hardy, 1877 – 1947)發現了拉馬努金的天才,並把拉馬努金從印度帶到英國。除了拉馬努金的數學成就,電影把重點放在東西文化衝擊之上,描述拉馬努金與哈代之間的友誼與磨擦,當然還有當年英國上流社會普遍存在的階級觀念和種族歧視等。

拉馬努金與哈代在英國歷時五年的合作,可謂數學史上其中一個研究結果最豐碩的事件。最後,拉馬努金憑著天才與哈代的支持,贏得劍橋大學三一學院眾教授的尊重,成為三一學院院士和英國皇家學會會員。拉馬努金在 1919 年回到印度,隔年逝世。哈代曾說過:「發現拉馬努金,是我一生中最大的數學發現。

未來版的小木偶:《 A.I. 人工智慧》

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男孩機器人唯一的願望,就是得到愛。圖/IMDb

《 A.I. 人工智慧》(A.I. Artificial Intelligence,又譯為《人工智能》)是個未來版的《木偶奇遇記》。主角是一個擁有感情的小孩機械人大衛。大衛渴望得到人類「母親」莫妮卡的愛,於是四處找童話故事中的仙子,希望仙子把他變成一個有血有肉的人類。

不論人類是否能夠創造出如電影那樣擁有感情的人工智能,電影希望探討的是,如果機械人有感情,那麼他們懂得愛嗎?或者說,我們的愛,會伸延到金屬造的機械人身上嗎?這是個倫理、道德問題,非科學所能回答。

受到其他被人類遺棄的機械人的幫助,大衛終於在已被水淹蓋的曼哈頓城水底找到仙子——一個迪士尼仙子像。他向仙子祈求,直到能源用盡。電影尾聲,人類已經絕種,而高度演化的機械人們希望了解自身的存在意義。他們找到被冰封的大衛,了解他希望得到莫妮卡的愛的心願。雖然不可能把大衛變成人類,機械人們用莫妮卡的 DNA 造出了只有一天壽命的莫妮卡,完成了大衛的心願。

《木偶奇遇記》,其實一直是人類內心的反映啊。

《地心引力》抓不住你?

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在宇宙中漂浮,感覺是否像回到子宮呢?圖/IMDb

《地心引力》(Gravity,又譯為《引力邊緣》)應該是本文中最不科學的電影。雖以文藝片角度這可能是很捧的一部電影,可是其物理情節卻錯漏百出。

除了太空之中太空人感受到的無重狀態,基本上沒有一個情節的物理是正確的。例如,同一軌道上的太空碎片根本不可能追上哈柏望遠鏡——根據克卜勒第三定律,只受重力影響的穩定軌道上,所有東西速度都一樣。當然,引發一連串事件的碎片並不需要在穩定軌道之上,但要在短時間內與其他太空任務相遇並造成致命破壞,除非是經過刻意計算的,否則機率仍非常低。

不過,《地心引力》裡對人性求生本能的心理描寫,仍然值得一看。

史上最科學黑洞!就在《星際效應》

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快來見識史上最科學黑洞!圖/IMDb

《星際效應》(Interstellar,又譯為《星際啟示錄》、《星際穿越》)上映的時候氣勢驚人,全因有著名的理論物理學家、相對論專家基普.索恩(Kip Thorne, 1940 – )坐鎮科學顧問一席。電影講述未來人類能源用盡,地球變得不適宜居住。男主角留下女兒和兒子在地球上,與科學家一起飛越黑洞到銀河系的另一端,尋找另一個適合人類居住的星球。

本片絕對是在銀幕上重現愛因斯坦的廣義相對論效應的最佳嘗試。飛越黑洞附近時,黑洞重力令主角經歷的時間減慢,絕對會令物理迷邊看邊微笑。索恩更利用電腦模擬,把描述時空與質量互動的愛因斯坦場方程式完美展現在電影之中,創造了電影史上最合乎科學的黑洞特寫。

但我個人認為最值得我們深思的是電影中未來政府竟改寫歷史課本,使未來的人以為人類從未上過太空,好讓他們放棄科學,專心耕作。主角的女兒擅長數理,在學校問起從前太空任務的事,竟然因此遭受處罰。在這個越來越不科學的時代,我們應緊記保持誠實、尊重事實,才是通往真理的道路。

當不成睡美人就只能一起做《星際過客》

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茫茫宇宙,只剩你我。圖/IMDb

《星際過客》(Passengers,又譯為《太空潛航者》、《太空旅客》)探討一個人性問題:當你在太空旅程的冬眠中醒來,沒有任何方法再度進入冷凍狀態,而航程仍有 90 多年,這意味著你會在抵達目的地前死去,你會喚醒其他人來陪伴自己嗎?

這部電影大部分時間只有三個演員在互動:男女主角和機器人酒保。戲中提到的物理其實不多:環狀自轉太空船設計、遠離地球時的通訊延遲、使用大角星(牧夫座主星)引力助推加速、核融合引擎等,差不多都是現代科幻片的必備元素。

我認為最值得欣賞的是電影描寫了男主角的心理掙扎。面對絕對的孤獨,明知喚醒女主角等同謀殺一樣,劇本希望探討的是人性及道德。道德問題不像科學,沒有客觀的答案。然而,如果人類有朝一日真能移民外星,那麼這將是我們必須要面對的一個重要問題。

撕下標籤,《關鍵少數》帶你看見 NASA 無名英雌

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這些非裔美國女性,用實力證明自己。圖/IMDb

《關鍵少數》(Hidden Figures,又譯為《NASA 無名英雌》、《隱藏人物》)講述一個真實的故事:上世紀美蘇太空競賽時,三個美國黑人女人如何在美國太空總署的太空任務中扮演了非常重要的角色。

電影雖以美蘇鬥快登月為背景,戲中對各種太空科技著墨其實不多。難得的是,電影刻畫了在電腦尚未普及的時代,科學家如何用紙筆計算複雜的太空船軌道。

那是個發現的時代,同時也是個充滿歧視與不公的時代。身為黑人女人所受的歧視和屈辱,實非現代人所能想像。電腦的英文 computer,原指一班在幕後為太空總署進行複雜數學運算的女人。他們都擁有高學歷,卻因為膚色與性別,只可以做太空總署的人肉計算機,黑色計算機——colored computer——這個詞竟然真真實實地在全世界最先進的科研機構裡出現過。

電影描述這三個真實個案,算是一個小小的平反。然而,歧視並未在當下消失:性別、種族、年齡、性取向歧視等等,在廿一世紀的今天仍存在於人類社會之中。希望這電影能喚醒更多人去反思自己的行為、希望我們的後代在未來也同樣會為今天的不公義感到驚訝。


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。