科学眼观科幻片——超时空接触

傅煜铭

电影回放

艾连诺·艾莉·爱洛维从小对科学充满兴趣，在父亲的引导下她逐渐认识宇宙，并成为一名无线电爱好者。艾莉在博士毕业后放弃了哈佛大学的教职，选择到阿雷西博天文台进行地外文明探索（ SETI）项目的研究。然而，追求实用主义的政府停止了对SETI项目的资助，艾莉只好转而寻求私人资助，在甚大射电望远镜阵列（VLA，简称甚大阵）继续研究。艾莉使用甚大阵探测到来自织女星位置的射电信号，并从中解读出外星文明发给人类的信息。根据这些信息的指引，人类建造出一台巨型机器。乘上这台机器的艾莉将会被带向哪里？人类的未来又将何去何从？

电影《超时空接触》由罗伯特·泽米基斯执导，故事根据著名天文学家、科普作家卡尔·萨根的同名小说《接触》改编。卡尔·萨根在电影制作期间逝世，但在去世前一直坚持为拍摄提供帮助。这部电影被认为是科学与电影艺术结合的典范。电影中的很多科学事实和科学幻想，都值得细细品读：而电影中呈现的科学与宗教的论战，更是引人深思。

电波中的天文学

电影《超时空接触》的主人公艾莉是一位射电天文学家。在汉语中，“射电”一词专门用于天文学领域，和“无线电”同义。天文学有很多分支，其中用无线电波段观测、研究天体和其他宇宙物质的分支学科被称为射电天文学。无线电波和人眼可见的可见光，其实都属于电磁波，只是二者波长范围不同。电磁波按照波长从短到长的顺序，可以依次被分类为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电几个波段。电磁波的波长越短，能量越高。

在整个电磁波谱中，可见光只占了很小一段波长范围。我们现在知道，宇宙中的天体在电磁波的不同波段都可能有辐射，只是不同天体辐射的电磁波能量集中的波段不同。英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在1865年预言了电磁波的存在，而后德国物理学家海因里希·赫兹在1887年至1888年间通过实验证明了电磁波的存在。麦克斯韦曾推论，光也是一种电磁波。在这之后，许多科学家都猜测太阳可能存在无线电波段的辐射，托马斯·爱迪生、奥利弗·洛奇等人先后尝试探测过太阳的无线电辐射，但都以失败告终。20世纪30年代，美国贝尔电话公司的工程师卡尔·央斯基使用自己建造的天线排查越洋无线电话在短波上受到的静电干扰时，意外发现了来自银河的无线电辐射，并指出电磁波源位于银河系中心方向，靠近人马座A。这一发现正式开启了射电天文学这个新领域。

“二战”后，许多雷达、通信工程师转而从事射电天文学的研究，取得了很多成就。例如，射电天文学家发现了脉冲星、类星体等新的天体类型，宇宙微波背景辐射的发现为大爆炸宇宙学理论提供了重要的观测证据。

和光学天文学使用的光学望远镜不同，射电望远镜其实是一系列無线电天线。在观测的电磁波波长一定的情况下，望远镜的有效口径（直径）越大，分辨能力越强，细节越清晰。由于无线电波的波长比可见光长很多，射电望远镜的口径也需要比光学望远镜大很多才能充分发挥自身的分辨本领。射电望远镜可以分为单天线望远镜和阵列。目前世界上口径最大的单天线望远镜是位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜（ FAST），它被公众称为“观天巨眼”。在中国的“天眼”落成之前，世界上最大的单天线射电望远镜是位于波多黎各的阿雷西博天文台射电望远镜，这也是电影中艾莉最开始使用的望远镜。

射电望远镜阵列，或者叫射电干涉仪，是利用电磁波的干涉原理，将多台单天线射电望远镜组合起来的系统。就像“人多力量大”一样，组合成阵列的射电望远镜也比单天线射电望远镜分辨率高得多。由此，射电望远镜阵列当然也可以获得比光学望远镜高很多的分辨能力！

电影中，艾莉在阿雷西博天文台的工作被迫终止后，她获得哈登集团的资助来到美国新墨西哥州的甚大射电望远镜阵列继续研究。甚大阵于1981年建成，由27台25米口径的天线组成，所有天线呈“Y”形排列。2012年，甚大阵被重新命名为“央斯基甚大阵”，以纪念射电天文学的先驱卡尔·央斯基。

除了甚大阵，目前主要的射电望远镜阵列还有甚长基线射电望远镜阵（VLBA）、澳大利亚望远镜致密阵（ ATCA）等。包括中国在内的一些国家正在建设跨越大洲、天线总面积达到平方千米量级的平方千米射电望远镜阵（SKA），这种射电望远镜将会成为地球上规模最大的射电望远镜阵列。

探索地外文明

在电影《超时空接触》中，主人公艾莉是地外文明探索（SETI）计划的一个项目负责人。在现实中，有一项“凤凰计划”和艾莉的项目十分类似。大部分SETI项目的运行方式都是全天扫描，以寻找强的无线电信号。而“凤凰计划”的工作则是针对太阳系附近的恒星系统搜寻无线电信号，并且重点关注已知存在行星的系统。2004年，“凤凰计划”宣布，在观测了240光年以内的800多个恒星系统后，没有找到地外文明信号存在的证据。

SETI计划涉及对大量观测数据的分析。早先的SETI项目曾使用望远镜旁专用的超级计算机进行数据处理。1995年，计算机科学家大卫·吉迪提出可以利用全球联网的计算机进行分布式计算，解决数据处理的难题。这一技术获得了成功。目前，居家寻找地外文明计划（SETl@home project）拥有大量的志愿者，人们只需从该计划的网站下载相应的小程序，就可以在家中寻找地外文明信号了！

SETI计划除了使用阿雷西博天文台射电望远镜这样的单天线望远镜外，还在使用望远镜阵列进行观测。微软的创始人之一保罗·艾伦资助了SETI研究所和射电天文学研究所的艾伦望远镜阵（ATA，原名“公顷望远镜”）的建设。艾伦望远镜阵原计划建设天线350架以上，每台直径为6.1米，现在正在运行的艾伦望远镜阵第一阶段，共有天线42架。

相比于阿雷西博望远镜，中国的500米口径球面射电望远镜（ FAST）看得更远。我们期待着，未来，FAST也能够加入SETI计划，为探索地外文明贡献中国力量。尽管SETI计划搜寻几十年没有任何成果，但是辽远而广阔的宇宙仍旧吸引着很多像艾莉一样的科学家不断探索。

穿越虫洞之旅

在电影中，人类按照外星文明提供的技术图纸建造了一台巨型机器。艾莉等人认为这是一种交通工具，但是没有人清楚这台机器的工作原理。搭载着艾莉的机器正式启动后，艾莉发现自己进入了一个隧道般的奇特时空，通过这个“隧道”，她穿越到了地外文明所在的织女星四重恒星系统，然后又被传送到星系一侧，这时整个星系的壮丽景象尽收眼底。外星人下载了艾莉的记忆，创造出一个艾莉曾经画过的场景，并以艾莉已经逝世的父亲的形象出现在她面前……后来，艾莉结束18个小时的旅程回到了地球。出乎意料的是，所有人都认为她从未离开，因为在观察者看来，艾莉的乘员舱直接穿过机器中心的空区掉入了海中。

现实中，织女星距离地球约25光年，这意味着即使以光速旅行，往返两地也需要大概50年的时间。那么艾莉又如何在18个小时内（或者地球上几乎不存在的时间差）完成往返织女星的旅程呢？艾莉和观察者对时间感受的矛盾是否合理？

1985年，已完成小说《接触》初稿的卡尔·萨根联系了他的好朋友——著名物理学家基普·索恩，請他帮忙查看小说中艾莉进行时空旅行的部分是否合理。在初稿中，艾莉是通过一个黑洞旅行到织女星的。但是基普·索恩指出，黑洞奇点会杀死落入其中的人，艾莉的旅行需要的不是黑洞，而是虫洞。

在讲《星球大战》时，我们曾经提到过通过虫洞进行时空旅行的可能性。虫洞或许可以在第四维空间上搭建起两个三维空间之间的桥梁，这样一来，通过虫洞在这两个三维空间之间的旅行时间，就取决于虫洞的长度，而不是三维空间中两地的真实距离。在这种情况下，艾莉旅行到织女星再返回地球，需要一定的时间（比如18个小时）。但是根据狭义相对论原理，如果艾莉的乘员舱在三维的虫洞中高速运动，那么乘员舱的时间流速将变得比地球慢，她在乘员舱内经历了18个小时，相对于地球上的时间会更长。要想让地球上经历的时间变短有一个方法，就是在艾莉出发时让虫洞出口（织女星）静止，入口（连同地球在内）高速（比如接近光速）运动起来，并在艾莉返回前回到原位置。如此，时间流速变慢的地方将是地球（虫洞入口），而不是艾莉的乘员舱！而在时间流速不变的织女星人看来，艾莉来自过去。

不过现实往往没有那么简单。首先，科学家认为虫洞虽然可能产生于微观尺度，但是能够容纳人体的虫洞无法自然产生。其次，物理学家研究发现，虫洞从产生到消亡的时间极为短暂，连光都无法在这么短的时间内从虫洞一端穿越到另一端。为了保持虫洞稳定连通，物理学家丹尼斯·甘农和基普·索恩等提出可以在虫洞中充填足够的“奇异物质”（具有负质量的物质）。当然，制造一个稳定的足够大的虫洞，现阶段只能存在于我们的想象当中。

用科学指引人生

影片中，当艾莉将发现地外文明信号的消息公之于众时，全世界的人们开始恐慌。狂热的宗教信徒干扰和破坏进一步的地外文明探测计划。他们担心人类和外星文明的接触会动摇各种神灵存在的根基。也有些宗教信徒将发来信息的外星文明视为神灵的存在形式，似乎这样就可以调和科学发现与宗教信仰之间的矛盾。

艾莉作为一名科学家，她不信仰上帝的原因并非她能够证明上帝不存在，而是我们无法证明上帝存在。这是一种十分理性的、科学的思维。即使是在她回应其他人对时空旅行的质问时，她仍然坚持这种理性的思维方式：她无法向其他人证明时空旅行确实发生过，尽管她对自己的经历深信不疑。

我们从艾莉身上看到了卡尔·萨根等当代科学家对于科学的理解：科学是寻找真理的方法，但科学知识并不等于真理，只是通过科学研究，人类对于事物的认识会不断接近真理。科学意味着刨根问底，意味着不盲从、敢于质疑。科学不单指科学知识，它还包括科学方法、科学思维……用科学指引人生，愿你也能不负宇宙生命的精彩。